NO312311B1

NO312311B1 - Varmegjenvinningsanordning

Info

Publication number: NO312311B1
Application number: NO19944554A
Authority: NO
Inventors: Michael Willoughby Essex Coney
Original assignee: Nat Power Plc
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 2002-04-22
Also published as: HUT71047A; HK1007183A1; CZ293894A3; WO1993024754A2; FI945580A; NZ253214A; NO944554L; HU217468B; NO944554D0; NZ299934A; ATE196529T1; CN1083941C; AU699946B2; EP0647291B1; ES2153382T3; AU7652596A; SK144994A3; IL118438A; HU9403386D0; PL173297B1

Description

Oppfinnelsen vedrører en varmegjenvinningsanordning for gjenvinning av varme fra en varmekilde, innbefattende en varmegjenvinningsturbin og en isotermisk gasskompressor for fremstilling av kald, komprimert gass, hvilken kompressor innbefatter et kompresjonskammer for gass som skal komprimeres, et kompresjonsstempel og drivmidler for bevegelse av kompresj onsstempelet inn i kompresjonskammeret for komprimering av gassen

Kompressorer for fremstilling av varme komprimerte gasser, såsom luft for brenning sammen med brennstoff i forbrenningskammeret i en gassturbin, er velkjente. Den gass som leveres av kompressoren varmes opp som følge av kompresjonssyklusens adiabatiske natur. Fordi gassen varmes opp under komprimeringen, kreves det mer energi for oppnåelse av den ønskede kompresjon enn om temperaturen til gassen kunne holdes konstant under komprimeringen, dvs. at gassen komprimeres isotermisk. Det er også generelt sett lite effektivt å benytte kompressorens mekaniske energi for oppvarming av den gassmasse som komprimeres.

Et eksempel på en kjent innretning beregnet for mer effektiv komprimering av gass er den hydrauliske gasskompressor hvor gass komprimeres i en væskekolonne som beveger seg nedover. Gassen, som er i form av bobler, avkjøles av væsken under komprimeringen. Gassen separeres så fra væsken ved bunnen av kolonnen, hvor den hensiktsmessig lagres, slik at man får et forråd av kjølig komprimert gass som kan benyttes for kraftfremstilling.

En varmemaskin som baserer seg på Carnots syklus, er beskrevet i US-PS 3608311. I syklusen oppnås isotermisk komprimering av arbeidsmediet ved å sprøyte en væske inn i kammeret som inneholder arbeidsmediet, slik at gasstemperaturen holdes konstant under komprimeringen. Det dreier seg imidlertid om varmemaskiner, nærmere bestemt en varmemaskin med en lukket krets hvor hvert volum av arbeidsmediet holdes permanent inne i et respektivt kammer. Det dreier seg ikke om gasskompressorer, som leverer komprimert gass.

I konvensjonelle gassturbinanlegg er utløpsgassen fra gassturbinen vanligvis meget varmere enn temperaturen i den omgivende atmosfære, slik at overskuddsvarmen i utløpsgassen vil gå tapt med mindre den kan konverteres tilbake til utnyttbar energi, eksempelvis for fremstilling av elektrisk strøm. I en spesiell type gassturbinanlegg, et anlegg (CCGT) med en kombinert syklus gassturbin og damp, omdannes overskuddsvarmen i utløpsgassen fra gassturbinen til damp for derved å drive en andre turbin. Selv om en CCGT er effektiv, krever den ekstra anleggskomponenter, såsom en varmegjen-vinnings-dampgenerator og en tilhørende dampturbin.

Det skal nevnes at det fra US 3.797.247 er kjent å kjøre inn gass fra en varmeveksler ved maskinenden i en fristempel-konstruksjon og ekspandere gassen der. Det dreier seg om en ekspansjon som er helt nødvendig for at den kjente innretning skal virke, da ekspansjonen er nødvendig for å drive f ristemplet.

Fra GB 722.524 er det kjent en gasskompressor hvor den komprimerte gass lagres i et reservoar. Ifølge oppfinnelsen foreslås det en varmegjenvinningsanordning som nevnt innledningsvis, kjennetegnet ved varmevekslermidler anordnet for oppvarming av den kalde komprimerte gass med varme fra den nevnte varmekilde og midler anordnet for føring av den oppvarmede komprimerte gass fra de nevnte varmevekslermidler og direkte til den nevnte turbin, hvilken turbin er anordnet for ekspandering av den oppvarmede komprimerte gass uten forbrenning av gassen, slik at gasstemperaturen ved turbinens utløp er lavere enn temperaturen til den oppvarmede komprimerte gass ved turbinens innløp, midler for tilveiebringelse av en væskedusj i kompresjonskammeret for å kjøle gassen ved kompresjon av den i kompresjonskammeret, og midler for uttrekking av sprøytevæske fra den kalde komprimerte gass trukket direkte fra det nevnte kompresjonskammer.

Ytterligere trekk ved varmegjenvinningsanordningen ifølge oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige patentkrav.

Oppfinnelsen tilveiebringer således et utnyttbart forråd av komprimert gass, hvor gasstemperaturen styres av væskedusjen. Kompresjonsvarmen overføres til dusjdråpene slik at gasstemperaturen under komprimeringen kan styres slik at den holder seg konstant eller synker. Holdes gasstemperaturen konstant, så vil den energi som kreves for komprimeringen være meget mindre enn dersom temperaturen ble tillatt å stige. Fordelaktig drives stempelet direkte av den energi som lagres i et fluidum, og dette kan være den energi som er lagret i en komprimert gass eller i en forbrennbar brennstoff /luft-blanding eller den potensielle energien i en væske. Dette muliggjør en isotermisk komprimering med direkte bruk av en varmekilde med meget høy temperatur, fordi varme i systemet går ut ved den laveste temperaturen i syklusen. Stempelet muliggjør en meget effektiv konvertering av store energimengder frigjort fra fluidet til kompresjonsenergi i gassen, og gir mulighet for temporær lagring av den fra fluidet frigjorte energi som kinetisk energi på en slik måte at store energimengder kan overføres til stempelet, slik at således større gassvolum kan komprimeres, samtidig som den hastighet hvormed stempelet beveger seg inn i kammeret kan styres under utnyttelse av stempelets treghet slik at kompresjonsprosessen vil være så nær den isotermiske prosess som mulig. Oppfinnelsen gjør det også mulig å gjenvinne overskuddsvarme frigjort fra fluidet for forvarming av den isotermisk komprimerte gass. Fordi stempelet drives direkte, kreves det ingen kompliserte mekaniske arrangementer med roterende deler, såsom veivaksler.

I en foretrukken utførelsesform innbefatter kompressoren lagringsmidler for kinetisk energi koplet til stempelet og hvortil tilstrekkelig kinetisk energi kan leveres for derved å muliggjøre at stempelet komprimerer gassen. Fordelaktig kan lagringsmidlene for kinetisk energi innbefatte en masse anordnet for bevegelse i fase med stempelet, og i en foretrukken utførelsesform kan denne masse dannes av selve stempelet. Fordelaktig kan lagringsmidlene for kinetisk energi ha en stor treghet for derved å kunne styre kompre-sjonshastigheten slik at det kan oppnås tilstrekkelig tid for en overføring av kompresjonsvarmen til sprøytedusjen, slik at komprimeringen blir isotermisk. Lagringsmidlene for kinetisk energi kan innbefatte en roterbart lagret masse, eksempelvis et svinghjul, som koples slik til stempelet at massens rotasjonsenergi omdannes til gass-kompresjonsenergi av stempelet. Den roterbare masse kan anordnes for å reversere retning sammen med stempelet, eller for rotasjon i bare en retning, uavhengig av stempelets bevegelsesretning. I det førstnevnte tilfelle kan stempelet være montert på en roterbar skive, idet stempelbevegelsen inn i kammeret foregår langs en bue som fremkommer ved en rotasjon av skiven, eller i en lineær bane, idet stempelet tillates å dreie seg i forhold til skiven.

Alternativt kan en tannstang være tilknyttet stempelet, hvilken tannstang er anordnet for drivpåvirkning av et drev, som enten utgjør den roterende masse eller er forbundet med en roterende masse. I sistnevnte tilfelle kan stempelet være koplet til den roterende masse via en veivaksel. Fordelaktig kan kompressoren innbefatte koplingsmidler koplet til stempelet for å muliggjøre kraftuttak eller krafttilførsel direkte fra henholdsvis til stempelet. En utgangsdrift fra stempelet kan eksempelvis benyttes for drift av ventiler og væske-dusj-injeksjonspumper tilordnet kompressoren, og mekaniske kompressorer, som leverer varm komprimert gass for drift av kompressoren. Kraft fra stempelet kan tas ut via en hvilket som helst egnet mekanisk kopling.

Kompressoren kan innbefatte midler for påtrykking av kinetisk energi til lagringsmidlene for kinetisk energi. Dersom lagringsmidlene for kinetisk energi tilveiebringes av stempelmassen, så kan midlene for påtrykking av kinetisk energi være anordnet for levering av den kinetiske energi direkte til stempelet. Kompressoren kan innbefatte midler for konvertering av den kinetiske energi som benyttes for å påtrykke stempelet en bevegelse i en retning til kinetisk energi for påtrykking av stempelets bevegelse i den andre retning. Konverteringsmidlene muliggjør eksempelvis at kinetisk energi kan leveres til lagringsmidlene for kinetisk energi på en slik måte at stempelet beveger seg ut av kompresjonskammeret og deretter slik at stempelet beveger seg inn i kompresjonskammeret, for komprimering av gassen. Alternativt kan konverteringsmidlene benyttes for å omdanne noen av den kinetiske nergi som benyttes for drift av stempelet inn i kammeret for komprimering av gassen, til drift av stempelet i den andre retning, ut av kammeret. Konverteringsmidlene kan innbefatte midler for omdannelse av den kinetiske energi som benyttes for å gi stempelet en bevegelse til potensiell energi. Eksempelvis kan den kinetiske energi omdannes til potensiell energi ved å anordne en masse for vertikal forflytting ved en bevegelse av stempelet. Dette kan være en separat masse eller massen kan dannes av selve stempelet.

Kompressoren kan innbefatte et andre kammer og et andre stempel, hver slik anordnet at veden bevegelse av stempelet inn i kammeret vil det andre stempel gå ut av det andre kammer. Det første og andre stempel kan være indirekte mekanisk koplet til hverandre, eksempelvis ved hjelp av en veivaksel. En slik kopling kan tilpasses for en forinnstil-ling av den relative stempelfase med hensyn til en hvilken som helst fasevinkel. Alternativt kan det første og andre stempel være direkte forbundne med hverandre og kan danne et enhetlig legeme, dvs. være utformet som et enkelt stempel. Lagringsmidlene for kinetisk energi kan dannes av massen i det andre stempel, alene eller sammen med massen i det første stempel.

Konverteringsmidlene kan innbefatte en gassmengde i det andre kammer. Derved kan den lagrede kinetiske energi, eksempelvis i massen til første og andre stempel, absorberes ved den adiabatiske kompresjon av gassen i det andre kammer, hvoretter den relativt varme komprimerte gass kan tillates å eksepandere adiabatisk for derved å levere kinetisk energi til stemplene i den andre retning, hvorved det første stempel drives inn i det første kammer for komprimering av gassen der.

Gasskompressoren kan innbefatte holdemidler for holding av en væskemengde, og innbefatte en ledning som danner stempelet. Holdemidlene kan være i form av en i hovedsaken U-formet ledning, med kammeret utformet i en arm av ledningen og med det (eventuelle) andre kammer utformet i den andre armen. Fordelaktig danner væsken i væske-stempelet en perfekt tetning mellom stempelet og kammerveggene. En slik kompres-sorutførelse kan innbefatte et stempel som innbefatter et fast materialet anordnet i ledningen, mellom væske-stempelet og kammeret. I ledningen, på den andre siden av væske-stempelet i retning fra kammeret, kan det også være anordnet et annet stempel som innbefatter et fast materiale. Hvert av de massive stemplene kan ha en større tetthet enn væsken i væske-stempelet, slik at derved fordelaktig størrelsen til det sammensatte stempel innbefattende de massive og væskefor-mede komponenter kan reduseres for en gitt masse. Videre vil bruk av massive stempler over væske-stempelet hindre en direkte kontakt mellom væsken og gassen og disse deler av kammeret som kan bli relativt varme. Massive stempler hindrer også grensesjikt-forstyrrelser ved væske-overflaten og en innfanging av væske i gassen.

Stempelet kan innbefatte et fast materiale og kan i sin oppbygging innbefatte et antall forskjellige faste materialer og kan, som del av sin masse, inneholde et flytende materiale. Stempelet og kammeret kan være slik anordnet at stempelets bevegelse inn i kammeret vil foregå i et i hovedsaken vertikalt plan eller i et i hovedsaken horisontalt plan. I sistnevnte tilfelle kan det benyttes lavfriksjons-lagre for understøttelse av stempelet, for derved å lette stempelets bevegelse i forhold til kammeret. Fordelaktig kan stempelet anordnes for bevegelse vertikalt og lineært, idet det da ikke kreves noen lagermidler. Alternative arrangementer hvor stempelet beveger seg i andre plan, er også mulige.

Midlene for levering av drivenergi kan innbefatte andre ventilmidler som virker til å slippe inn varme komprimerte gasser i det andre kammer for drift av det andre stempel ut av det andre kammer. Dersom således den varme komprimerte gass tillates å ekspandere adiabatisk vil mesteparten av energien i gassen overføres til lagringsmidlene for kinetisk energi. Disse midler kan dannes av massen i det første og andre stempel. Den lagrede kinetiske energi kan så benyttes for oppnåelse av en isotermisk komprimering av gassen i det første kammer. Da energien som frigjøres ved ekspansjonen av varm komprimert gass vil være større enn den energi som kreves for oppnåelse av isotermisk komprimering av gassen, kan gassmengden som komprimeres i det første kammer være større enn mengden av varm gass som ekspanderer i det andre kammer. Lagringsmidlene for kinetisk energi muliggjør at den energi som frigjøres ved ekspansjonen av varm komprimert gass kan benyttes for isotermisk komprimering av gassen på en termodynamisk effektiv måte. Etter komprimeringen av gassen i den det første kammer kan den ekspanderte gass i det andre kammer komprimeres ved å drive det andre stempel inn i det andre kammer. Dette kan eksempelvis oppnås i et vertikalt arrangement hvor stempelet tillates å falle under påvirkning av sin egen vekt.

Kompressoren kan innbefatte tredje ventilmidler som kan betjenes etter komprimeringen av gass i det andre kammer som følge av bevegelsen av stempelet Inn i det andre kammer, for å muliggjøre at komprimert gass kan tas ut fra det andre kammer. Fordelaktig kan i en slik utførelsesform kompressoren innbefatte midler for dannelse av en væskedusj i det andre kammer for kjøling av gassen under komprimeringen. Den varme komprimerte gass som føres inn i det andre kammer og tillates å ekspandere adiabatisk, kan således etterpå komprimeres isotermisk. Gasskompressoren kan videre innbefatte fjerde ventilmidler som kan bringes til virkning etter en ekspansjon i det andre kammer av varm komprimert gass innført gjennom de andre ventilmidler, for derved å trekke inn ekstra lavtrykksgass før hastigheten til det andre stempel i retning ut av det andre kammer nås null. På denne måten kan noe av den kinetiske energi fra den varme komprimerte gass benyttes for å trekke inn en ekstra gassmengde i det andre kammer før gassen komprimeres.

I en annen utførelsesform, med eller uten et andre kammer, innbefatter midlene for levering av drivenergi ytterligere ventilmidler som kan benyttes for å slippe varm komprimert gass inn i det første kammer for derved å drive stempelet ut av det første kammer. I denne utførelsesform benyttes den samme gass som driver stempelet ut av kammeret i den første halvpart av syklusen, komprimert i kammeret i den andre halvpart av syklusen. Denne utførelsesform kan innbefatte midler for omdannelse av den kinetiske energi tilveiebragt ved bevegelse av stempelet ut av kammeret til kinetisk energi for å bevege stempelet inn i kammeret for derved å komprimere gassen. Det kan være anordnet et andre kammer og et andre stempel, idet det andre kammer inneholder en gassmengde som omdanner den kinetiske energi tilveiebragt ved innføringen av den varme komprimerte gass i det første kammer til kinetisk energi for å drive stempelet tilbake inn i det første kammer for komprimering av gassen. Når således det andre stempel beveges inn i det andre kammer vil gassen der komprimeres adiabatisk og deretter ekspandere adiabatisk, idet det andre stempel derved drives ut av det andre kammer og det første stempel drives inn i det første kammer. Alternativt kan kompressoren innbefatte et andre kammer som har andre tredje og fjerde ventilmidler som nevnt foran. Kompressoren kan også innbefatte ventilmidler som kan påvirkes etter en ekspansjon i det første kammer av varm komprimert gass innført der ved hjelp av de ytterligere ventilmidler, for å trekke inn ekstra lavtrykksgass, før stempelhastigheten i retning ut av kammeret når null.

Dersom den varme komprimerte gass innført alternativt i første og andre kammer ekspanderes adiabatisk, kan fordelaktig den termiske energi i gassen omdannes til mekanisk energi, eksempelvis kinetisk energi for stempelet, slik at en ekstra gassmengde etter hver ekspansjon kan innføres i hvert kammer etter som kammeret frie volum øker. Stempelet vil da et øyeblikk komme til stillstand i et av kammerne og stempelbevegelsen reverseres ved innføring og ekspansjon av varm komprimert gass i det samme kammer, hvorved stempelet drives inn i det andre kammer, hvor gassen komprimeres ved en meget lavere temperatur enn begynnelsestemperaturen til den varme komprimerte gass som tidligere er innført. En gitt mengde av komprimert gass vil således omdannes til en større mengde av komprimert gass, idet denne ekstra gassmengde tilveiebringes av den termiske energi til den varme komprimerte gass som innføres i kammeret.

Midlene for levering av drivenergi kan innbefatte midler for tilveiebringelse av en forbrennbar brenselblanding i det andre kammer, idet forbrenningen vil levere kinetisk energi til stempelet eller til andre lagringsmidler for kinetisk energi. I en annen utførelsesform kan midlene for levering av drivenergi innbefatte midler for innføring av komprimert gass i det andre kammer og videre innbefatte midler for dannelse av en dusj av varm væske for oppvarming av gassen i det andre kammer. Alternativt kan midlene for levering av drivenergi innbefatte midler for innføring av et gassproduserende medium sammen med en reaksjonsgass for gassifisering i det andre kammer. I hver av disse utførelsesformer kan midlene for levering av drivenergi dessuten innbefatte midler for mating av komprimert gass fra det første kammer inn i det andre kammer. Fordelaktig kan det anordnes varmevekslermidler for forvarming av kald komprimert gass fra det første kammer ved hjelp av varm ekspandert gass fra det andre kammer. Noe av den forvarmede komprimerte gass som forlater varmeveksleren kan benyttes for drift av en gassturbin. Bruk av noe av den kolde komprimerte gass for å drive en turbin er særlig fordelaktig dersom det i den varme ekspanderte gass som forlater det andre kammer forefinnes mer varme enn det som treng for forvarming av det volum av kald komprimert gass som kreves for drift av kompressoren. Kompressoren kan utføres slik at den produserer ekstra kald komprimert gass for gjenvinning av denne overskuddsvarme. På denne måten kan overskuddsvarmen gjenvinnes slik at den kan omdannes til utnyttbar energi.

Kompressoren kan innbefatte et tredje kammer for gass som skal komprimeres, samt et tredje stempel for komprimering av gassen ved bevegelse av det tredje stempel inn i det tredje kammer, og innbefatter også ytterligere ventilmidler for å muliggjøre at komprimert gass kan tas ut fra det tredje kammer. Det tredje kammer og det tredje stempel kan anordnes slik at når det andre stempel beveges ut av det andre kammer vil det tredje stempel bevege seg inn i det tredje kammer. Den prosess som driver det andre stempel ut av det andre kammer kan således benyttes for å gjennomføre gasskompri-meringen i det tredje kammer. Innbefatter kompressoren en U-formet ledning, som inneholder et væskestempel som danner det første og andre stempel, så kan det tredje stempel eksempelvis dannes ved å anordne det tredje kammer i den samme ledningsarm som det første kammer. Et stempel utført av et fast materiale kan anordnes mellom det tredje stempel og det tredje kammer. Dersom det også anordnes et massivt stempel over væskestempelet i det første kammer kan de massive stemplene anordnes slik at de beveger seg uavhengig av hverandre eller sammen, idet de eksempelvis kan utgjøre et enhetlig legeme. Dersom både det første, det andre og det tredje stempel er utført av et fast materiale kan stemplene på en effektiv måte utgjøre et enhetlig legeme og sammen virke som lagringsmiddel for kinetisk energi. Gassen i det tredje kammer kan komprimeres adiabatisk og den komprimerte gass kan benyttes for drift av en gassturbin. Dersom det benyttes en separat gassturbin for gjenvinning av overskuddsvarme i den varme ekspanderte gass fra en prosess i det andre kammer, kan utløpsgass fra den separate turbin (som fremdeles kan være relativt varm) benyttes for forvarming av noe av den kalde komprimerte gass fra det første kammer, f.eks. i en varmeveksler, og den forvarmede komprimerte gass kan benyttes for å drive gassturbinen som drives av adiabatisk komprimert gass fra det tredje kammer. Alternativt kan adiabatisk komprimert gass fra det tredje kammer og forvarmet komprimert gass benyttet for gjenvinning av overskuddsvarme fra den utgående gass, begge føres til en enkelt turbin, slik at man derved fordelaktig unngår behovet for mer enn denne ene turbin.

I et alternativt arrangement kan det andre kammer og det andre stempel hver være anordnet slik at ved en bevegelse av det første og det tredje stempel inn i et respektivt kammer vil det andre stempel bevege seg inn i det andre kammer. En prosess i det andre kammer vil da drive det første, andre og tredje stempel ut av deres respektive kammer og levere kinetisk energi til lagringsmidlene for kinetisk energi. Leveringsmidlene kan fordelaktig utgjøres av stemplenes samlede masse. Midler for omdannelse av den kinetiske energi til kinetisk energi for drift av stemplene tilbake inn i deres respektive kammere kan foreligge, og kan innbefatte et adiabatisk kompresjons/ekspansjonskammer, innholdende en gassmengde, samt et tilordnet stempel koplet til de andre stemplene, slik at ved en bevegelse av det andre stempel ut av det andre kammer vil dette ytterligere stempel bevege seg inn i det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer.

Det andre kammer og det andre stempel kan begge være anordnet slik at ved en bevegelse av det første og tredje stempel inn i deres respektive kammere vil det andre stempel beveges ut av det andre kammer. Gasskompressoren kan innbefatte et fjerde kammer og et fjerde stempel, begge slik anordnet at ved en bevegelse av det andre stempel inn i det andre kammer vil det fjerde stempel beveges ut av det fjerde kammer. I tillegg til at drivenergi leveres med en prosess i det andre kammer for å drive det første og det tredje stempel inn i deres respektive kammer for komprimering av gassen der, kan en prosess innbefatte en hvilken som helst av de ovenfor nevnte i forbindelse med andre kammer, bringes til å skje i det fjerde kammer for å drive det andre stempel tilbake inn i det andre kammer, og som følge herav drive det første og tredje stempel ut av deres respektive kamre.

Gasskompressoren kan videre innbefatte et femte stempel og et femte kammer for gass som skal komprimeres ved bevegelse av det femte stempel inn i det femte kammer, idet det femte stempel og det femte kammer er slik anordnet at ved en bevegelse av det andre stempel inn i det andre kammer vil det femte stempel beveges inn i det femte kammer, idet kompressoren innbefatter ytterligere ventilmidler for å tillate at komprimert gass kan tas ut fra det femte kammer. Det femte kammer kan benyttes for adiabatisk komprimering av gass, som deretter kan benyttes for å drive en gassturbin, som kan være den samme gassturbin som den som drives av adiabatisk komprimert gass fra det tredje kammer. Den adiabatiske kompresjon i det femte kammer drives av en prosess i det fjerde kammer.

Videre kan kompressoren innbefatte et sjette stempel og et sjette kammer for gass som skal komprimeres ved en bevegelse av det sjette stempel inn i det sjette kammer, idet det sjette stempel og det sjette kammer er slik anordnet at ved en bevegelse av det andre stempel inn i det andre kammer vil det sjette stempel beveges inn i det sjette kammer, idet kompressoren videre innbefatter midler for tilveiebringelse av en væskedusj i det sjette kammer for kjøling av gassen under dens komprimering der, samt ytterligere ventilmidler som muliggjør at komprimert gass kan trekkes ut fra det sjette kammer. Det sjette kammer danner således et andre isotermisk kompresjonskammer for produksjon av kold komprimert gass. Den isotermiske kompresjon i det sjette kammer drives også av prosessen i det fjerde kammer. Ved denne utførelsen av kompressoren vil således en prosess i det andre kammer drive de isotermiske og adiabatiske kompresjonsprosesser i det første og det tredje kammer under en halvpart av syklusen, mens en prosess i det fjerde kammer vil drive den adiabatiske og isotermiske kompresjonsprosess i henholdsvis femte og sjette kammer i den andre halvpart av syklusen. Midlene for levering av drivenergi kan videre innbefatte midler for føring av komprimert gass fra det sjette kammer inn i det andre og/eller fjerde kammer og kan videre innbefatte varmevekslermidler for forvarming av komprimert gass fra det sjette kammer med gass fra det andre og/eller fjerde kammer. Varmevekslermidlene kan innbefatte de samme varmevekslermidler som er anordnet for forvarming av komprimert gass fra det første kammer med gass fra det andre kammer. Varme som ikke kreves for forvarming av den kolde komprimerte gass fra det sjette kammer nødvendig for å drive prosessen i det andre og/eller fjerde kammer kan gjenvinnes ved å føre ekstra kald komprimert gass fra det første og/eller sjette kammer gjennom varmevekslermidlene, idet overskytende varme så benyttes for forvarming av den ekstra komprimerte gass og denne gass kan benyttes for drift av en gassturbin. I samtlige av de ovenfor nevnte utførelsesformer kan to eller flere av stemplene anordnes i tandem og kan eksempelvis være sammenkoplede ved hjelp av en eller flere avtettede akseler som går fra et kammer til det neste. Alternativt kan to eller flere av stemplene være avstands-plassert sideveis i forhold til deres bevegelsesretning inn i og ut av det respektive kammer.

Når varm komprimert gass benyttes for drift av kompressoren kan gassen tilveiebringes ved hjelp av en konvensjonell mekanisk kompressor, eller fra kald komprimert gass produsert i den isotermiske kompressor, idet denne kalde gass da forvarmes med varm ekspandert gass fra det andre og/eller fjerde kammer ved hjelp av en varmeveksler, hvilken gass oppvarmes ytterligere i en hovedoppvarmer, eksempelvis under utnyttelse av brenselforbrenning. Generelt vil den resulterende varme komprimerte gass ha en meget høyrere temperatur enn den gass som produseres av en mekanisk kompressor. Denne meget varme komprimerte gass innføres i det andre og/eller fjerde kammer, hvor gassen ekspanderer for drift av kompressoren. Fordelaktig vil den varme komprimerte gass som innføres i det andre og/eller fjerde kammer drive kompressoren ved enkel adiabatisk ekspansjon, noe som er en meget renere prosess enn forbrenning eller gassifisering.

Kompressoren kan i tillegg til et første kammer og et andre kammer, dersom et sådant forefinnes, innbefatte et ytterligere kammer for gass som skal komprimeres, med et ytterligere stempel for komprimering av gassen ved bevegelse av dette ytterligere stempel inn i det ytterligere kammer, samt ventilmidler som muliggjør at komprimert gass kan trekkes fra det ytterligere kammer, og midler for føring av komprimert gass fra det ytterligere kammer til det første og/eller andre kammer. Dette ytterligere stempel er uavhengig av det første stempel og kompressoren kan innbefatte andre lagermidler for kintetisk energi koplet til dette ytterligere stempel, idet tilstrekkelig kinetisk energi kan tilføres for å muliggjøre at det ytterligere stempel kan komprimere gass i det ytterligere kammer. Disse andre lagringsmidler for kinetisk energi kan innbefatte en masse anordnet for bevegelse i fase med det ytterligere stempel og massen kan hensiktsmessig tilveiebringes av det ytterligere stempel. Gass i det ytterligere kammer komprimeres adiabatisk og kan benyttes for drift av den isotermiske kompresjonsprosess i det første kammer og i det andre kammer (dersom et sådant forefinnes). Adiabatisk komprimert gass kan også benyttes for drift av en gassturbin.

Denne kompressorutførelse kan videre innbefatter midler for levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi og kan også innbefatte midler for omdannelse av den kinetiske energi som benyttes for bevegelse av det ytterligere stempel i en retning til kinetisk energi for å bevirke en bevegelse av det ytterligere stempel i den andre retning. Midlene for slik omdannelse kan innbefatte midler for omdannelse av kinetisk energi benyttet for bevegelse av stempelet til potensiell energi, eksempelvis ved å tilveiebringe en masse som er anordnet forskyvbart vertikalt ved en bevegelse av det ytterligere stempel, hvilken masse kan tilveiebringes av massen til selve det ytterligere stempel.

Kompressoren kan også innbefatte et fjerde kammer og et fjerde stempel, begge slik anordnet at ved en bevegelse av det ytterligere stempel inn i det ytterligere kammer vil det fjerde stempel bevege seg ut av det fjerde kammer, idet det ytterligere stempel og det fjerde stempel sammen kan danne et enhetlig legeme. Selv om det i denne utførelsesform ikke kreves et andre kammer og et andre stempel benyttes disse betegnelsene her for det fjerde kammer og det fjerde stempel for å kunne skille et kammer og tilhørende stempel fra andre. Midlene for omdannelse av den kinetiske energi benyttet for å bevege det ytterligere stempel kan innbefatte en gassmengde i det fjerde kammer, idet denne gassmengde alternativt komprimeres og tillates å ekspandere adiabatisk, for drift av det ytterligere stempel inn i det ytterligere kammer for komprimering av gassen. Dette er særlig fordelaktig når midlene for levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi innbefatter en prosess i det ytterligere kammer. Eksempelvis kan midlene for levering av drivenergi til det ytterligere stempel og levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi innbefatte midler for tilveiebringelse av en forbrennbar brenselblanding i det ytterligere kammer, slik at en forbrenning av blandingen vil gi den kinetiske energi. Alternativt kan midlene for levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi innbefatte midler for innslipping av komprimert gass i det ytterligere kammer, samt ytterligere midler som danner en dusj av varm væske for oppvarming av gassen i det ytterligere kammer. I en annen utførelsesform kan midlene for levering av drivenergi til det ytterligere stempel innbefatte midler for tilføring av et gassproduserende medium sammen med en reaksjonsgass for klassifisering inn i det ytterligere kammer, og i en annen utførelsesform kan midlene for levering av drivenergi til det ytterligere stempel innbefatte ventilmidler som kan påvirkes for å slippe varm komprimert gass inn i det ytterligere kammer. I en hvilken som helst av de foran nevnte utførelser drives således den adiabatiske kompresjon i det ytterligere kammer ved hjelp av en prosess som skjer i det samme kammer. Som følge av prosessen vil varm gass i det ytterligere kammer ekspandere og drive det ytterligere stempel ut av det ytterligere kammer. Ventilmidler, som kan påvirkes etter en ekspansjon av gass i det ytterligere kammer, kan være anordnet for å trekke gass inn i kammeret for påfølgende adiabatisk komprimering. Ventilmidlene kan være slik plassert at gassen trekkes direkte inn over stempelet. I denne utfør-elsesform innbefatter kompressoren dessuten ventilmidler som kan påvirkes etter en innføring av gass i det ytterligere kammer for å muliggjøre en utstøting av den varme ekspanderte gass fra kammeret ved en bevegelse av stempelet inn i det ytterligere kammer. Ventilmidlene kan påvirkes, etter en utstøting av varm ekspandert gass fra kammeret, for lukking for derved å muliggjøre at gass trekkes inn i kammeret etter ekspansjonsprosessen for å komprimeres der. Den kinetiske energi som leveres til de andre lagringsmidler for kinetisk energi fra prosessen i det ytterligere kammer kan omdannes til kinetisk energi for bevirkning av en bevegelse av det ytterligere stempel inn i det ytterligere kammer under adiabatisk kompresjon og ekspansjon av gassen i det fjerde kammer.

Det fjerde kammer kan inkorporere et hvilket som helst av de trekk som er beskrevet foran i forbindelse med det ytterligere kammer, slik at en prosess i det fjerde kammer vil drive den adiabatiske kompresjon i det ytterligere kammer og prosessen i det ytterligere kammer vil drive den adiabatiske kompresjon i det fjerde kammer. Fordelaktig vil en slik utførelsesform produsere adiabatisk komprimert gass to ganger i løpet av en fullstendig operasjonssyklus. Separering av gassen som skal komprimeres adiabatisk og prosessgassen i det ytterligere kammer og det fjerde kammer, skjer ved naturlig termisk stratifisering.

Adiabatisk kompresjon og en prosess for drift av den adiabatiske kompresjon kan skje i separate kammere. Således kan den adiabatiske kompresjon skje bare i det ytterligere kammer, mens prosessen for drift av den adiabatiske kompresjon bare skjer i det fjerde kammer.

Det fjerde kammer og det fjerde stempel kan begge være slik anordnet at ved en bevegelse av det ytterligere stempel inn i det ytterligere kammer vil det fjerde stempel bevege seg inn i det fjerde kammer. Det ytterligere stempel og det ytterligere kammer kan da betegnes som et tredje stempel henholdsvis et tredje kammer, selv om det ikke forefinnes et andre stempel og et andre kammer. Likeledes tjener termene fjerde, femte og sjette til å skille stempler eller kammere fra hverandre selv om det ikke forefinnes et andre kammer. Kompressoren kan videre innbefatte et femte kammer og et femte stempel, begge slik anordnet at ved en bevegelse av det tredje stempel inn i det tredje kammer vil det femte stempel beveges ut av det femte kammer. I denne utførelsesform kan midlene for levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi innbefatte en prosess i det fjerde kammer som driver det femte stempel inn i det femte kammer. Det femte kammer kan inneholde en gassmengde som omdanner den kinetiske energi til kinetisk energi for å bevege det femte stempel for således å drive det tredje stempel inn i det tredje kammer for komprimering av gassen der.

Gasskompressoren kan innbefatte midler for tilveiebringelse av en prosess i det femte kammer for levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi, for derved å drive det ytterligere stempel inn i det ytterligere kammer for komprimering av gassen der. Midlene for levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi kan således innbefatte midler for tilveiebringelse av en forbrennbar brenselblanding i det femte kammer, idet forbrenningen av blandingen leverer den kinetiske energi. Alternativt kan lagringsmidlene for kinetisk energi innbefatte midler for tilføring av komprimert gass til det femte kammer og dessuten midler for dannelse av en dusj av varm væske for oppvarming av gassen i det femte kammer. I en annen utførelsesform kan midlene for levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi innbefatte midler for tilføring av et gassproduserende medium sammen med en reaksjonsgass for gassifisering inn i det femte kammer. I en annen utførelsesform kan midlene for leveing av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi innbefatte ventilmidler som kan betjenes for å slippe varm komprimert gass inn i det femte kammer.

Gasskompressoren kan videre innbefatte et sjette kammer for gass som skal komprimeres, og et sjette stempel anordnet i det sjette kammer, slik at ved en bevegelse av det femte stempel inn i det femte kammer vil det sjette stempel bevege seg inn i det sjette kammer, og kompressoren kan videre innbefatte ventilmidler for å tillate at komprimert gass trekkes fra det sjette kammer. I denne utførelsesform kan således en adiabatisk kompresjon gjennomføres i to kammere mens prosessen for drift av komprimeringen gjennomføres i to andre kammere. Prosessen i det femte kammer driver kompresjonen i det tredje kammer og prosessen i det fjerde kammer driver den adiabatiske kompresjon i det sjette kammer. Fordelaktig kan således den adiabatisk komprimerte gass holdes fullstendig adskilt fra prosessgassen. Videre vil denne utførelsesform være symmetrisk og produsere adiabatisk komprimert gass to ganger pr. syklus. Den adiabatisk komprimerte gass fra tredje kammer henholdsvis sjette kammer kan benyttes for drift av den isotermiske kompresjon i det første kammer (og i det eventuelle andre kammer) og kan også benyttes for å drive en gassturbin.

Midlene for levering av kinetisk energi til de andre lagringsmidler for kinetisk energi kan videre innbefatte midler for mating av komprimert gass fra det første og/eller andre kammer til det tredje, fjerde eller femte kammer, etter behov, for drift av en prosess der. Fortrinnsvis forefinnes det varmevekslermidler for forvarming av komprimert gass fra det første og/eller andre kammer under utnyttelse av varme fra den varme ekspanderte prosessgass som forlater et av henholdsvis tredje, fjerde eller femte kammer.

Energi for isotermisk kompresjon kan tilveiebringes ved hjelp av et væskereservoar. En væskedreven gasskompressor kan innbefatte en ledning og et ytterligere stempel anordnet i ledningen for bevegelse i denne og for å drive det første stempel inn i det første kammer for derved å komprimere gassen der. Et reservoar for væske er tilkoplet den ene enden av ledningen, og kompressoren innbefatter dessuten en hovedstrømningsventil som kan betjenes for styring av væskestrømmen fra reservoaret og inn i ledningen for drift av det ytterligere stempel i ledningen, og utløpsventilmidler som kan betjenes, etter en komprimering av gass i det første kammer, for å slippe væske ut fra ledningen. Det ytterligere stempel kan innbefatte et væskestempel eller et massivt stempel eller en kombinasjon av begge deler og kan være utformet i ett med det første stempel. Kompressoren kan innbefatte et antall kammere for gass som skal komprimeres samt stempler for komprimering av gassen i hvert kammer, idet hvert av stemplene drives uavhengig av et tilordnet ytterligere stempel, som hvert drives i en separat ledning, hvis ene ende er tilknyttet et felles reservoar. Fordelaktig innbefatter kompressoren midler for retur av utlevert væske gjennom den eller de anordnede ventilleveringsmidler til reservoaret, og midlene for retur kan innbefatte en pumpe. Når kompressoren innbefatter et antall ledninger og tilordnede stempler som driver kompresjonsprosesser i et antall kammere, kan hovedstrømningsventiler og leveringsventiler være slik tidsstyrt at væske returneres til reservoaret samtidig som væske tas derfra, slik at reservoarinnholdet i hovedsaken vil holde seg konstant. Kompressoren kan videre innbefatte midler for trykksetting av væsken i reservoaret. Reservoaret kan innbefatte et kammer med en trykksatt gassmengde over væsken. Når midlene for retur av væske til reservoaret innbefatter en pumpe, vil det være fordelaktig å anordne hovedstrømningsventilmidlene i hver ledning for styring av stemplene til å operere ut av fase, slik at derved pumpen kan arbeide kontinuerlig og med optimal virkningsgrad, fordi det er nødvendig med kontinuerlig tilførsel av væske til reservoaret.

Hensiktsmessig kan kompressoren, når kompressoren innbefatter et væskestempel, innbefatte midler for levering av væske fra væskestempelet til de dusjdannende midler, som væske i dusjen.

Fordelaktig innbefatter kompressoren kjølemidler for kjøling av den væske som benyttes i dusjen. Kompressoren innbefatter også fordelaktig midler for styring av dråpestørrelsen i dusjen. De dusjformede midler kan innbefatter en pumpe som er tidsstyrt for å virke samtidig som gass i kammeret eller kammerne komprimeres. De dusjdannende midler er fortrinnsvis anordnet for tilveiebringelse av en dusj med konstant strøm-ningsmengde mens gass i kammeret eller kammerne komprimeres, og de dusjdannende midler kan innbefatte en positiv fortrengningspumpe.

En utførelsesform kan innbefatte midler for mekanisk kopling av et stempel til sprøytepumpen. Fordelaktig vil en slik mekanisk kopling kunne muliggjøre en tidsstyring av sprøyte-vaeske-innsprøytingen og muliggjøre en overføring av mekanisk kraft fra stempelet til pumpen og omvendt. Den mekaniske kopling kan eksempelvis innbefatte en veivaksel som drives av stempelet eller en tannstang, tilknyttet stempelet og anordnet for drift av et drev. En rotasjon av veivakselen eller drevet kan utnyttes for drift av en roterende pumpe eller kan overføres til en resiproserende bevegelse for drift av en resisproserende pumpe. I noen tilfeller kan sprøyte-vaeske støtes ut fra kompres j onskammeret sammen med den komprimerte gass. Slik væske befinner seg under et relativt høyt trykk og kan, under deler av syklusen, ha et trykk som er høyere enn det som er nødvendig for innsprøyting av dusjvæsken i kammeret. I et slikt tilfelle kan pumpen gi en positiv kraft, som kan utnyttes for drift av stempelet. Alternativt kan kompressoren utføres uten en mekanisk pumpe, idet trykket for innsprøyting av dusjen kan tilveiebringes av stempelet selv. Alternativt kan pumpen drives elektrisk eller ved hjelp av andre midler. Gir pumpen en nettokraft ut, så kan det være hensiktsmessig å kople pumpen for drift av en generator.

Kompressoren kan innbefatte midler for uttrekking av væske fra den komprimerte gass som tas fra kammeret eller kammerne, og kan også innbefatte en fuktighetsseparator. Fordelaktig kan kompressoren også innbefatte midler for føring av væske fra uttrekksmidlene og til de sprøytedannende midler. Fordelaktig kan den sprøytevæske som gjenvinnes etter isotermisk kompresjon (eller i noen tilfeller etter isotermisk ekspansjon) resykles kontinuerlig.

Kompressoren kan innbefatte midler for styring av en eller flere av ventilmidlene for åpning eller lukking, avhengig av en eller flere av et antall parametre såsom stempelets stilling i et respektivt kammer, gasstrykket i et av kammerne, tidsavhengig eller når en bestemt masse eller volum av gass har gått ut av eller inn i et kammer. Slike parametre kan måles eller avføles ved hjelp av følere, som gir korre-sponderende utgangssignaler for styring av ventilene, eksempelvis hydraulisk, elektromagnetisk og/eller mekanisk. Føleren eller følerne kan eksempelvis være elektromagnetisk, induktiv, kapasitiv, ultralyd eller piezoelektrisk eller av den elektriske kontakttypen. En mikroprosessor eller en annen type computer kan benyttes for prosessering og tolking av utgangssignalene fra føleren/følerne.

En eller flere av ventilmidlene kan være mekanisk koplet til et eller flere stempler, slik at stempelet driver ventilmid-delet for åpning og/eller lukking. En egnet mekanisk kopling kan innbefatte en tannstang tilknyttet stempelet og anordnet for drift av et drev som eksempelvis kan være montert på veggen eller basisen i kammeret. Drevet kan være anordnet for rotering av en kam eller for drift av en kamaksel som åpner og/eller lukker en eller flere ventiler på det egnede tidspunkt.

Når kompressoren innbefatter et væskestempel kan en flottør av fast materiale være anordnet for svømming på overflaten til væskestempelet i i det minste et av kammerne. Flottøren kan enten være stiv eller fleksibel og virke til å undertrykke turbulens på overflaten av stempelet og inntrenging av væske i gassen over væskestempelet. Begge disse fenomen representerer potensielle tapsmekanismer. Fordelaktig kan flottøren være av porøst materiale for derved å muliggjøre en kombinerlig av sprøytevæsken med væsken i væskestempelet.

I noen tilfeller vil kjøling av kammerveggene være ønskelig, avhengig av den varme som tilveiebringes i løpet av de ulike prosesser som foregår i kammerne. Kammerveggene kan kjøles med kold komprimert gass fra et eller flere av de isotermiske kompresjonskamere. Kammerveggene kan ha et antall hull utformet slik at kjølegassen, etter å ha tatt opp varme fra kammerveggene, kan gå inn i kammeret og ekspandere sammen med den andre ekspanderende gass i kammeret. Alternativt kan oppvarmet komprimert kjølegass føres til og ekspandere i en turbin. Fordelaktig vil begge metoder muliggjøre en slik gjenvinning av overskuddsvarme fra kammerveggene at den kan omdannes til utnyttbar mekanisk energi.

Når kompressoren innbefatter varmevekslermidler for kjøling av den utgående gass fra en prosess i et av kammerne med kold komprimert gass fra det isotermiske kompresjonskammer, kan det være ønskelig å ha fuktighetsfjernemidler for fjerning av væske fra den kolde utløpsgass som forlater varmevekslermidlene. Et slikt arrangement kan innbefatte andre varmevekslermidler for kjøling av utløpsgassen fra de første varmevekslermidler, midler for fjerning av fuktighet fra den koldere utløpsgass fra de andre varmevekslermidler, en kjøler for reduksjon av temperaturen til den koldere utløpsgass fra fuktighetsfjernemidlene, andre fuktighetsfjernemidler for fjerning av fuktighet fra den kolde gass som forlater kjøleren, og midler for føring av den kolde utløpsgass fra de andre fuktighetsfjernemidler til den andre varmeveksler, hvor gassen varmes opp med den kalde utløpsgass fra den første varmeveksler.

I en utførelsesform kan en hovedoppvarmer innbefatte et forbrenningskammer hvor det forbrennes brennstoff i den forvarmede trykksatte gass og det produseres forbrenningsgass som varm høytrykksgass.

Hovedoppvarmeren kan innbefatte en ytre varmekilde. Denne ytre varmekilde kan f.eks. være en kull- eller oljefyrt ovn, en kjemisk eller industriell prosess, en kjernekraftreaktor eller en solar-ovn. Fordelaktig kan gassturbinanlegget innbefatte midler for føring av en del av den kolde komprimerte gass til gassturbinbladene for kjøling av disse. Dette muliggjør en øking av den av turbinbladene bestemte øvre temperaturgrense inne i turbinen.

Gassturbinanlegget kan innbefatte en ytterligere gassturbin og midler for føring av en del av den varme komprimerte gass fra varmeveksleren for drift av denne ytterligere gassturbin. Dette er særlig fordelaktig når varmeveksleren veksler varme mellom en kjøligere gass med en høyere spesifikk varme og en varmere gass med en lavere spesifikk varme, slik at ikke all varmen i den varmere gass er nødvendig for å heve temperaturen i den kjøligere gass. Restvarmen kan hensiktsmessig benyttes for oppvarming av en del av den kolde gass fra kompressoren for drift av en ytterligere gassturbin.

De ovenfor nevnte utførelsesformer kan videre innbefatte en tredje gassturbin, en andre varmeveksler for forvarming av en del av den kolde komprimerte gass fra varm lavtrykksgass fra den ytterligere gassturbin, og midler for føring av den forvarmede gass for drift av en tredje gassturbin. Fortrinnsvis drives den isotermiske kompressor av en av gassturbinene. Den isotermiske kompressor kan innbefatte gasskompressoren eller en annen av de foran nevnte utførelseseksempler av den.

Gassturbinanlegget kan videre innbefatte en beholder for lagring av kold komprimert gass fra den isotermiske kompressor, og midler for gjenvinning av den lagrede komprimerte gass for drift av turbinen når dette måtte være nødvendig.

Fordelaktig innbefatter et energilagringsanlegg en isotermisk ekspanderingsanordning innbefattende et kammer for gass som skal ekspanderes, et stempel som muliggjør en ekspansjon av gassen ved bevegelse av stempelet ut av kammeret, midler for dannelse av en væskedusj i kammeret for oppvarming av gassen ved ekspansjon deri, og ventilmidler for innføring av komprimert gass i kammeret fra lagringsbeholderen. Den isotermiske ekspanderingsanordning kan videre innbefatte et andre kammer for gass som skal komprimeres ved bevegelse av stempelet inn i det andre kammer, og ventilmidler som muliggjør en uttrekking av komprimert gass fra det andre kammer. Fordelaktig kan den varme komprimerte gass, som kan være luft, benyttes for drift av en gassturbin.

Gasskompressoren kan drives i revers som en isotermisk gassekspanderingsanordning, idet forskjellen er at kold komprimert gass innføres i kammeret og tillates å ekspandere ved en bevegelse av stempelet ut av kammeret, og at midlene for tilforming av en væskedusj i kammeret overfører varme til gassen under ekspanderingen, slik at ekspansjonen kan gå i hovedsaken isotermisk. Energien som leveres til eller via stempelet kan benyttes for komprimering av den ekspanderte gass adiabatisk i kammeret eller, dersom det forefinnes et andre kammer, for adiabatisk komprimering av gass i det andre kammer. Den adiabatisk komprimerte gass kan så benyttes for drift av en gassturbin, f.eks. en luftturbin. Således tilveiebringer gasskompressor-ekspanderingsanordningen et middel for konvertering av kold komprimert gass lagret i en lagringsbeholder til utnyttbar energi.

Kinetisk energi vil normalt leveres til stempelet ved hjelp av en prosess som innbefatter ekspansjon av gass. Den energi som frigjøres i prosessen kan variere kontinuerlig over tid. Fordelaktig vil tilveiebringelsen av et massivt stempel muliggjøre at all den energi som frigjøres under prosessen overføres til kinetisk energi for stempelet. Videre vil det, da stempelet er tilstrekkelig massivt til å kunne lagre den kinetiske energi frigjort i prosessen, det ikke kreves et svinghjul, noe som fjerner behovet for mekaniske ledd og koplinger, som vil være slitasjeutsatt.

En gasskompressor kan innbefatte et stempel, midler som danner et kammer for gass som skal komprimeres og for komprimering av gassen ved en bevegelse av kammeret over stempelet, midler for dannelse av en væskedusj i kammeret for kjøling av gassen ved dens kompresjon, og ventilmidler for å muliggjøre at komprimert gass kan trekkes ut fra kammeret. Stempelet er anordnet stasjonært i forhold til kammeret, som beveger seg. En fagmann vil forstå at de ulike utførelsesfor-mer som er beskrevet i forbindelse med en kompressor innbefattende et bevegbart stempel og et stasjonært kammer kan modifiseres, mutatis mutandis, slik at bevegelsen påtrykkes det eller de anvendte kammere mens stemplene forblir stasjonære.

Uttrykkene "varm" og "kold" eller "kjølig" som er benyttet foran og i patenkravene er her brukt i en relativ betydning for på skille det som har en høyrere temperatur fra det som har en lavere temperatur, og hensikten er således ikke å begrense temperaturene til noen spesiell verdi eller et spesielt temperaturområde. Således kan uttrykket varm innbefatte temperaturer som man ellers normalt ville anse som lave eller kalde, og uttrykket kald kan således innbefatte temperaturer som man normalt vil se på som høye eller varme.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser en utførelsesform av en gassdreven

kompressor med et væskestempel,

fig. 2 viser en annen utførelsesform av en gassdrevet kompressor med både massivt

stempel og væskestempel,

fig. 3 viser en tredje utførelsesform av en gassdreven kompressor med et massivt

stempel,

fig. 4 viser en fjerde utførelsesform av en gassdreven kompressor innbefattende et massivt stempel,

fig. 5 viser en femte utførelse av en gassdreven kompressor innbefattende et massivt

stempel,

fig. 6 viser en sjette utførelse av en gassdreven kompressor innbefattende et massivt

stempel,

fig. 7 viser en syvende utførelsesform av en gassdreven kompressor innbefattende et

massivt stempel,

fig. 8 viser en utførelsesform av en vaeskedreven

kompressor innbefattende et væskestempel, fig. 9 viser et blokkdiagram for en utførelsesform av et gassturbinanlegg innbefattende en

isotermisk kompressor,

fig. 10 viser et blokkdiagram for en annen utførelsesform av et gassturbinanlegg med

en isotermisk kompressor,

fig. 11 viser en utførelsesform av et anlegg som fyres med kull eller et annet brensel og innbefatter en isotermisk kompressor og en

luftturbin,

fig. 12 viser et blokkdiagram for en annen utførelsesform av et gassturbinanlegg med

både en gassturbin og en luftturbin,

fig. 13(a) viser et arrangement for lagring av kold

komprimert gass,

fig. 13(b) viser et arrangement for gjenvinning av lagret komprimert gass for generering av

energi,

fig. 14 viser et blokkdiagram med to arrangementer

for lagring av energi,

fig. 15 viser en utførelsesform av en termisk drevet kompressor og ekstra anlegg for

kraf tgenerering,

fig. 16 viser en annen utførelsesform av en termisk drevet kompressor og et ekstra anlegg for kraf tgenerering,

fig. 17 viser en annen utførelsesform av en termisk drevet kompressor samt et ekstra anlegg for

kraf tgenerering,

fig. 18 viser en annen utførelsesform av den termisk drevne kompressor og et ekstra

anlegg for kraftgenerering,

fig. 19 viser en annen utførelsesform av en termisk drevet kompressor og et ekstra anlegg for

kraftgenerering,

fig. 20 viser et blokkdiagram for et system for

gjenvinning av damp fra utløpsgasser,

fig. 21 viser i et blokkdiagram en utførelsesform av et gassturbinanlegg med lukket syklus og

innbefattende en termisk drevet kompressor, fig. 22 viser i et blokkdiagram en utførelsesform av et kraftgenererende anlegg innbefattende en termisk drevet kompressor og en andre luftturbin anordnet for gjenvinning av

overskuddsvarme ,

fig. 23 viser utførelsesformer av termisk drevne kompressorer med lukket og åpen syklus, hvor varme tilføres ved innsprøyting av

varm væske,

fig. 24 viser en utførelsesform av en termisk drevet kompressor anordnet i en kraftgenererende og gassifikasjonssyklus,

fig. 25 viser en utførelsesform av en gassdreven kompressor i en kraftgenererende og

gassifikasjonssyklus, og

fig. 26 viser en utførelsesform av en termisk drevet kompressor med to alternative arrangementer for energilagring.

I fig. 1 er det vist en isotermisk kompressor 1 med et væskestempel. Den isotermiske kompressor 1 innbefatter et langt, i hovedsaken U-formet rør eller en ledning 2 med et avlangt lineært midtavsnitt 3, som er horisontalt eller nesten horisontalt, og med to armer 4 og 5 som strekker seg vertikalt oppover. Ledningen 2 er delvist fylt med vann eller med en annen væske, som danner et væskestempel 7. Ledningen 2 har tilstrekkelig lengde og diameter til at væskestempelet får den nødvendige masse for styring av kompresjonsgraden. I de vertikale armer 4 og 5 er det dannet kammere 9 og 11. Hvert kammer har et antall innløps- og utløpsporter for styring av gass inn og ut, dvs. til og fra hvert kammer. Portene 13 og 15 har begge ventiler 17 og 19 som muliggjør at kold komprimert gass kan trekkes ut fra hvert kammer. Portene 21 og 23 har ventiler 25 og 27 for innslipping av en styrt masse av varm komprimert gass inn i hvert kammer, og portene 29 og 31 styres ved hjelp av ventiler 33 og 35 for innslipping av en ekstra gassmengde i hvert kammer. Hvert kammer 9 og 11 har en ytterligere port 37 og 39 som muliggjør en inn-sprøyting av en væskedusj i hvert kammer. En innsprøytings-pumpe 43,44 er tilknyttet en respektiv innsprøytingsport 37,39. I ledningens 2 midtparti 3 er det en utløpsport 41 tilknyttet pumpene 43,44 for tilføring av væske fra væske-stempelet til innsprøytingsportene 37 og 39. I dette utførelseseksempel er hver pumpe en positiv fortrengningspumpe hvor væske trekkes inn i pumpekammeret 40,42 ved hjelp av et fortrengningslegeme 46,48 over en periode av kompressor-drivsyklusen hvor væskestempelet er beveget ut av kammeret 9,11; og hvor væske kontinuerlig presses ut av pumpekammeret 40,42 ved hjelp av fortrengningslegemene 46,48 når gass komprimeres i kammeret 9,11, ved en bevegelse av væskestempelet inn i det aktuelle kammer 9,11. En kjøler 95 er innkoplet mellom utløpsporten 41 og pumpene 43,44 for kjøling av den væske som trekkes ut fra væskestempelet før væsken sprøytes inn i hvert kammer 9 og 11 som en sprøyte-dusj .

Et reservoar eller en tank 51 for væske for bruk i væskedusjen er anordnet for erstatning for væske som går tapt til fuktighetsseparatorene 47,49, for derved å holde mengden av stempelvæske konstant under driften. Væske oppsamlet i fuktighetsseparatorene 47,49 kan returneres til væske-stempelet eller til sprøyteinnretningene via tanken 51, etter behov. Væsketanken 51 tjener også til levering av væske for dusjen ved start av kompressoren.

På overflaten til væskestemplene i kammerne 9,11 kan det være anordnet flottører 50 og 52. Disse kan være av et porøst eller fibrøst materiale, hvorigjennom væsken i væskestempelet kan diffundere. Flottørene kan være stive eller fleksible. Flottørene undertrykker bølger på stempelflaten og hinder inntrenging av væske i de portene hvorigjennom kjølig komprimert gass trekkes. I tillegg til flottørenes 50,52 porøse natur letter en rekombinering av væske fra væskedusjene med væsken i stempelet.

Under drift blir en mengde av varm komprimert gass fra en ytre kilde såsom en konvensjonell rotasjonskompressor sprøytet inn i kammeret 9 gjennom porten 21. Ventilene 17 og 23 er lukket og væskestempelet 7 befinner seg på toppen av sin slaglengde i kammeret 9. Den varme komprimerte gass ekspanderer i kammeret 9 og bevirker at væskestempelet 7 akselererer mot den andre enden av det lange rør 2. Når gassen ekspanderer vil den kjøles, slik at både den termiske energi og trykkenergien i gassen omdannes til kinetisk energi for stempelet 7. Når trykket i gassen synker til atmosfæretrykk (eller til til et annet trykk hvor ekstra, relativt ikke-trykksatt gass er tilgjengelig), vil ventilen 33 åpne og muliggjøre at en ekstra gassmengde kan gå inn gjennom porten 29. Væskestempelet 7 fortsetter sin bevegelse for trekking av gass inn i kammerets 9 ekspanderende volum.

På det tidspunkt da væskestempelet 7 befant seg på toppen av sin slaglengde i kammeret 9 inneholdt kammeret 11 et gassvolum bestående av en mengde av kjølig ekspandert gass tidligere innført der som en mengde av varm komprimert gass gjennom porten 23, samt en ekstra mengde av relativ ikke-trykksatt gass innført gjennom porten 31. Når væskestempelet 7 beveger seg ut av kammeret 9 og inn i kammeret 11 vil gassen i kammeret 11 komprimeres. Under gasskompresjonen sprøytes væske i form av små dråper inn i kammeret 11 for å holde gassen på eller nær en konstant temperatur. Væsken i dusjen faller gjennom gassrommet og blander seg med væsken i væskestempelet 7. I dette utførelseseksempel trekkes sprøyte-væske fra væsken i røret 2 og pumpes tilbake til sprøyteinn-løpene 37 og 39 via kjøleren 45 ved hjelp av pumpene 43 og 44.

På et visst kompresjonstrinn vil gassen i kammeret 11 nå det ønskede trykk. Da stoppes væskeinnsprøytingen og ventilen 19 åpnes for å muliggjøre at gass kan gå ut fra kammeret. Separatorene 47 og 49 tjener til å fjerne en hver væske som måtte ha blitt fanget opp av gassen.

Når væskestempelet 7 i kammeret 11 når toppen av sin slaglengde vil utløpsventilen 19 lukke og ventilen 27 åpne og slippe inn en mengde av varm komprimert gass i kammeret 11 for derved å drive væskestempelet 7 mot den andre enden av røret 2. Samtidig vil ventilen 33 lukke og gassvolumet i kammeret 9, innbefattende en kjølt ekspandert gassmengde sluppet inn igjennom porten 21 og den ekstra gassmengde som er sluppet inn igjennom porten 29, vil komprimeres i kammeret 9. Under komprimeringen av gassen sprøytes væske i form av dråper inn i kammeret 9 for å holde gassen på en tilnærmet konstant temperatur. Væsken i sperøytedusjen faller ned igjennom gassrommet og blander seg med væsken i væske-stempelet 7. På et visst kompresjonstrinn vil gassen ha nådd de ønskede trykk, og da vil ventilen 17 åpne seg for å slippe gass ut fra kammeret. Gassen går igjennom separatoren 47 for derved å fjerne eventuell væske som er fanget opp i gassen. Utløpsventilen 13 lukker når væskestempelet når toppen av sin slaglengde i kammeret 9, og en annen mengde av varm komprimert gass innføres i det lille restvolum i kammeret 9. Denne gass vil drive væskestempelet 7 tilbake til rørets 2 andre ende og syklusen gjentas.

Ved stadig drift vil innløpsventilene 25 og 27 for varm komprimert gass tidsstyres til å åpne når væskenivået når toppen av væskens bevegelse i kammerne 9 og 11. De lukker igjen når en viss gassmengde har gått inn i et av kammerne. Dette kan være når væskestempelet har sunket en bestemt strekning.

Utløpsventilene 17 og 19 for kjølt komprimert gass åpner bare under den del av syklusen hvor væskestempelet beveges inn i et av kammerne 9 og 11. Ventilene åpner når trykket i systemet overskrider den i utløps-rørnettet, men lukker før varmgass-innløpsventilene 25 og 27 åpner. Ikke-returventiler (tilbakeslagsventiler) kan benyttes, forutsatt at de styres slik at de bare kommer til virkning når væskestempelet beveger seg oppover i det aktuelle kammer. Innløpsventilene 33 og 35 for lavtrykkgass åpner når trykket i det aktuelle kammer 9 eller 11 faller under trykket til lavtrykksgass-kilden. Ikke-returventiler kan benyttes for dette formål.

Driften av ventilene kan bestemmes ut fra endringer i trykk og vannivå. Med hensyn til trykket kan det benyttes et internt mekanisk system, slik som eksisterer for en ikke-returventil. Alternativt kan trykkfølere benyttes for å tilveiebringe et elektrisk signal som kan benyttes for å utløse en ventilaktuator. Med hensyn til væskenivået så vil, selv om anvendelsen av et mekanisk system er mulig, en føler som leverer et elektrisk signal være et mer praktisk alternativ. Væskenivåføleren kan virke på flere mulige måter, eksempelvis ved detektering av oppdriften til en flottør, bruk av en ledningsevne eller måling av en kapasitet, en optisk metode eller bruk av utltralyd. Ventilene kan aktiveres (dvs. betjenes) elektrisk eller ved hjelp av trykkluf t.

Væskesprøytesystemet er beregnet til å tilveiebringe et større antall dråper i et spesielt dimensjonsområde som maksimaliserer varmeoverføringen mellom væsken og gassen, samtidig som energibehovet for tilveiebringelsen av sprøyte-dusjen minimaliseres. Det er også viktig at dråpene ikke er for små, ut fra hensynet til at dråpene skal separeres fra gassen, enten ved hjelp av tyngdekraften eller under påvirk-ningen i separatorene 47 og 49. Separatorene fjerner luft-dråper som måtte bli båret med opp igjennom uttaksrøret på den andre siden av utløpsportene 13 og 15. Separatorene kan være av forskjellige typer. Eksempelvis kan det benyttes treghets- eller sentrifugalseparatorer eller en kombinasjon av disse.

Sprøytepumpene 43 og 44 sirkulerer vann fra røret 2 igjennom den eksterne kjøler 45 og sprøytene 37 og 39 og tilbake til røret 2. En positiv fortrengningspumpe kan benyttes for dette formål for derved å opprettholde en konstant strømningsmengde mens trykkdifferensialet i kammerne 9 eller 11 varierer. Den positive fortrengningspumpe kan være av en stempel-pumpetype, tidsstyrt for å arbeide i fase med bevegelsen av væskestempelet 7, slik at innsprøyting bare skjer når gassen komprimeres. I dette tilfelle vil det ikke være nødvendig å ha ventiler for styring av innsprøytingen. Alternativt, dersom det benyttes sentrifugalpumper eller blandingsstrømpumper, som går kontinuerlig, vil det være behov for sprøyteventiler. Den eksterne kjøler 45 fjerner den varme som er absorbert av væskedusjene. En reduksjon av sprøytetemperaturen reduserer den energi som er nødvendig for komprimering av en gitt gassmengde. For oppnåelse av lavest mulig temperatur for sprøytedusjen føres sprøytevæsken gjennom kjøleren umiddel-bart før innsprøyting. Kjølingen kan skje ved hjelp av tvungen luftkjøling, ved bruk av kjøletårn eller ved resirkulering av vann fra en innsjø, en elv eller sjøen.

Flottører 50 og 52 som svømmer på overflaten til væske-stempelet i hvert kammer vil undertrykke bølger og hindre innfanging av væske gjennom de porter hvorigjennom kjølig komprimert gass trekkes inn. Fordelen ved å anvende en flottør er at undertrykkingen av væskeoppfangingen i gassen muliggjør flere sykluser for væskestempelet over en gitt tid. Som følge herav vil man kunne oppnå en øking av leveringen av kold komprimert gass fra en gitt maskinstørrelse.

I tillegg til at væske gir den større stempelmasse, kan massen tilveiebringes av faste materialer. Materialet kan velges med en meget høyrere tetthet enn i væsken, slik at dimensjonene til kompressoren derved fordelaktig kan reduseres i sterk grad. Stempelet kan i sin helhet være av et fast materiale, eller kan være en kombinasjon av faste og flytende stoffer. Et eksempel på en gasskompressor med både væskestempel og massivstempler er vist i fig. 2.

I fig. 2 er det vist en kompressor 1 innbefattende en i hovedsaken U-formet ledning 2 som er delvist fylt med væske som danner et væskestempel 7. I hver arm 4,5 i ledningen 2 er det anordnet et massivt stempel 55,57 som bæres av væske-stempelet. Hver arm 4,5 er avlang, lineær og anordnet slik at de massive stempler 55,57 fritt kan utføre vertikale, lineære bevegelser i kammerne 9,11.

Tettheten i de massive stempler 55,57 er større enn tettheten i væsken i væskestempelet 7, slik at den totale størrelsen til det sammensatte stempel, dvs. med både massive og flytende komponenter, kan gjøres relativ kompakt. Tetningen 56,58 for avtetting av gapet mellom de massive stempler 55,57 og armene 4,5 i ledningen 2 er anordnet på eller nær bunnen til de massive stempler 55,57. Selv om hensikten med pakningene 56,58 er å hindre væske i å slippe ut fra under de massive stempler 55,57, vil man få en viss uunngåelig lekkasje, og i et slikt tilfelle vil det være nødvendig å erstatte den tapte væske. Dette kan skje ved å pumpe væske direkte inn i det avsnitt av ledningen hvor væskestempelet befinner seg.

De massive stempler 55,57 undertrykker hensiktsmessig grensesjikt-forstyrrelser på overflaten av væskestempelet 7 og hindrer også inntrengning av væske fra væskeflaten og inn i gassen. De massive stemplene 55,57 og deres respektive pakninger 56,58 vil hindre væske fra væskedusjen i å gå sammen med væsken i væskestempelet. Væske for dusjen tilveiebringes derfor fra en separat kilde og ikke fra selve væske-stempelet, slik tilfellet er i det foran beskrevne utfør-elseseksempel. I den foreliggende utførelsesform holdes væske i en tank eller i et reservoar 51 hvorfra det tilføres væske til sprøytepumpene 43 og 44. Sprøytevæsken tas fra kammerne 9,11 ved hjelp av virkningen til de massive stempler 55,57, da disse helt enkelt vil skyve væsken ut gjennom de respektive kompresjonsgass-utløpsporter 13,15 sammen med den isotermisk komprimerte gass. Væsken skilles så fra den komprimerte gass i en ekstern fuktighetsseparator 47. Den separate væske i separatoren 47 returneres til tanken 51 gjennom en eller flere kjølere 45, for resirkulering.

Bortsett fra den måte hvormed sprøytevæsken fjernes fra kammerne, virker gasskompressoren i fig. 2 i hovedsaken på samme måte som den i forbindelse med fig. 1 foran beskrevne kompressor.

De hittil beskrevne kompressorer er i hovedsaken symmetriske, da de har et stempel som drives frem og tilbake mellom to kammere, hvor det gjennomføres de samme prosesser, nemlig vekslende ekspansjon og kompresjon av gass. I alternative utførelsesformer kan imidlertid kompresjonen gjennomføres bare på den ene stempelsiden, slik at kompresjonen skjer ved forskyvning av stempelet i bare en retning. Ekspansjonen av varm komprimert gass for å levere kinetisk energi til stempelet for kompresjon av gass, kan også skje på bare en side av stempelet, dvs. på den samme side som kompresjonen eller på den motsatte side. En slik utførelsesform kan betegnes som asymmetrisk.

I en asymmetrisk kompressor med et væskestempel kan rørled-ningen være i form av en U, som vist i fig. 1 og 2, eller i form av en J. En arm i røret danner kompresjonskammeret mens den andre armen kan være åpen i enden og utsatt for atmosfæretrykket, eller kan være lukket, med et innelukket gassrom. Under drift innføres en mengde av varm komprimert gass i kammeret, hvor gassen vil ekspandere og kjøles og derved presse væskestempelet mot rørets andre ende. Gassens trykk og termiske energi omdannes til kinetisk energi for væskestempelet, og et volum med gass under relativt lavt trykk går inn i kammeret når væskestempelet er i bevegelse. Når væskestempelet stiger i rørets andre ende vil den kinetiske energi omdannes til potensiell energi som følge av stempelets høyde i røret, dersom røret er åpnet i enden, eller til en kombinasjon av potensiell energi, som følge av væskestempelets høyde og trykk, og termisk energi i den gass som er komprimert over væskestempelet dersom rørenden er lukket. Sistnevnte løsning kan være å foretrekke fordi rørarmen da ikke behøver være så høy. Den potensielle energi omdannes så til kinetisk energi for stempelet i retning av kompresjonskammeret. Dersom gassen ved enden av det lukkede rør komprimeres adiabatisk vil gassens potensielle energi omdannes tilbake til kinetisk energi når væskestempelet reverserer og går til kompresjonskammeret for komprimering av gassvolumet. Gassen komprimeres isotermisk ved å aktivere væskedusj ene.

Som nevnt foran kan det være fordelaktig å benytte et massivt stempel fremstilt av et høytetthetsmateriale for derved å kunne redusere kompressorens dimensjoner. Fig. 3 viser en utførelse av kompressoren med et enkelt massivt stempel, beregnet for asymmetrisk drift.

Gasskompressoren i fig. 3 innbefatter et øvre kammer 8 med gass som skal komprimeres, anordnet i hovedsaken vertikalt over et nedre kammer 10. Et stempel 12 av et fast materiale kan fritt bevege seg opp og ned, inn i og ut av øvre og nedre kammer 8,10. Det øvre kammer 8 har et gassinnløp 29 med en gassinnløpsventil 33 og en utløpsport 13 for komprimert gass med en gassutløpsventil 17. En innsprøytingsport 37 for en væskedusj er anordnet for Innføring av en væskedusj i det øvre kammer 8. Det nedre kammer 10 har en gassinnløpsport 23 med en gassinnløpsventil 27 og en gassutløpsport 24 med en gassutløpsventil 26.

En typisk driftssyklus for kompressoren skal nå beskrives, med utgangspunkt i at det massive stempelet 12 er i en hvilestilling og ligger på en pute av komprimert gass like over bunnen i det nedre kammer 10.

Det øvre kammer 8 inneholder en frisk gassmengde som skal komprimeres. Såvel gassinnløpsventilen som utløpsventilen 33,17 er lukket.

En mengde varm komprimert gass fra en egnet kilde, eksempelvis en konvensjonell kompressor, føres inn i det nedre kammer 10 gjennom gassinnløpsporten 23. Den varme komprimerte gass ekspanderer og overfører kinetisk energi til stempelet og tvinger dette oppover inn i det øvre kammer 8. Når stempelet 12 beveger seg inn i det øvre kammer 8 vil gassen der komprimeres. Væske sprøytes inn i det øvre kammer 8 gjennom sprøyteporten 37 under komprimeringen, for derved å kjøle gassen, slik at kompresjonen vil være tilnærmet isotermisk. På et visst tidspunkt under stempelets 12 oppadrettede bevegelse vil gassinnløpsventilen 27 i det nedre kammer 10 lukke og gassen i det nedre kammer vil ekspandere adiabatisk.

Når gassen i det øvre kammer 8 når et visst trykk, vil utløpsventilen 17 for komprimert gass åpne. Væskedusjen stoppes og komprimert gass sammen med væskedusjen trekkes ut fra kammeret via gassutløpsporten 13. Når stempelet 13 når toppen av sin slaglengde i det øvre kammer 8 lukker utløps-ventilen 17 for komprimert gass og eventuell restgass i det øvre kammer 8 vil kunne tjene til å absorbere en eventuell kinetisk energi fra det massive stempel før det stopper i toppen av kammeret. Denne restgass komprimeres adiabatisk slik at dens energi kan frigjøres ved å tillate at gassen ekspanderer adiabatisk, med tilhørende påtrykking av kinetisk energi på stempelet 12 i den andre retning, ut av det øvre kammer.

Så snart stempelet 12 har reversert sin retning åpner gass-utløpsventilen 26 i det nedre kammer 10 og den relativt kjølige ekspanderte gass i det nedre kammer går ut gjennom gassutløpsporten 24. Når trykket i det øvre kammer faller til gassinnløpstrykket åpner gassinnløpsventilen 33 i det øvre kammer 8. Gass med relativt lavt trykk trekkes da inn i det øvre kammer 8 etter som stempelet 12 beveger seg nedover og ut av dette kammer.

Når stempelet 12 nærmer seg bunnen i det nedre kammer 10 vil gassutløpsventilen 26 lukke og restgassen i det nedre kammer komprimeres adiabatisk. Stempelets nedadrettede bevegelse bremses og det danner seg en pute mellom stempelet 12 og bunnen i kammeret. Lukkingen av gassutløpsventilen 26 bør styres slik at trykket til gassen i det nedre kammer på det tidspunkt hvor stempelet reverserer vil være lik innløps-trykket til den varme komprimerte gass. Når stempelet kommer til ro i det nedre kammer, åpner innløpsporten 27 og en ny ladning av varm komprimert gass går inn i det nedre kammer. Syklusen repeteres deretter.

I dette utførelseseksempel kan tyngdekraften alene utgjøre et middel for omdannelse av stempelets kinetiske energi i en retning til potensiell energi for pådraging av kinetisk energi til stempelet i den andre retning. I dette tilfelle vil kompressorens drivfrekvens være begrenset av tyngde-kraftens gjenvinningskraft. Frekvensen kan imidlertid økes ved å sørge for midler som absorberer og påtrykker den kinetiske energi på stempelet i en større mengde enn tyngdekraften alene greier, eksempelvis ved at det tilveiebringes en gasslomme over stempelet som komprimerer og ekspanderer under stempelets reverseringsbevegelse i det øvre kammer.

I en annen utførelse av gasskompressoren hvor et massivt stempel er anordnet for lineær, vertikal bevegelse, kan det være anordnet midler for innføring av varm komprimert gass i såvel det øvre som det nedre kammer, slik at energi påtrykkes stempelet i begge retninger ved innføringen og ekspanderingen av gass. Kompressoren kan også utføres slik at isotermisk komprimert gass produseres i det nedre kammer såvel som i det øvre. Videre kan kompressoren være slik anordnet at en ekstra mengde av gass med relativt lavt trykk trekkes inn i hvert kammer etter ekspanderingen av den varme komprimerte gass, slik at kompressoren leverer en større mengde av komprimert gass enn det som kreves for å drive den. En slik kompressor er symmetrisk i den forstand at de samme prosesser finner sted på hver side av stempelet, samtidig som kompressoren er asymmetrisk i den forstand at drivkreftene og gjenvinnings-kreftene påvirkes av tyngdekraften. Et eksempel på en slik utførelse av gasskompressoren er vist i fig. 4.

Gasskompressoren 1 i fig. 4 innbefatter et øvre kammer 9 anordnet i hovedsaken vertikalt over et nedre kammer 11, og et massivt stempel 12 som fritt kan bevege seg opp og ned, inn i og ut av øvre og nedre kammer. Det er sørget for tetningsmidler 14 for å hindre gasslekkasje fra hvert kammer mellom stempelet 12 og kammerveggene. Hvert kammer 9,11 har en gassinnløpsport 21,23 for varm komprimert gass, styrt av en respektiv gassinnløpsventil 25,27, for innføring av en ladning av varm komprimert gass i kammeret, en gassutløpsport 15 for komprimert gass, styrt av gassutløpsventilene 17,19 for utslipping av kold komprimert gass fra kammeret, en gassinnløpsport 29,31, styrt av en gassinnløpsventil 33,35, for innføring av en ekstra gassmengde i kammeret, og væskedusj-innsprøytingsporter 37,39 for innføring av en væskedusj i kammeret under komprimeringen.

Væske som sprøytes inn i hvert kompresjonskammer blir gjenvunnet og resirkulert. Væskegjenvinningssystemet innbefatter en fuktighetsseparator 47,49 tilknyttet hver av utløpsportene 13,15 for komprimert gass, for separering av sprøytevæske fra den kolde komprimerte gass; et kjølesystem 45 tilknyttet hver fuktighetsseparator 47,49, for kjøling av sprøytevæsken, og separate pumper 43,44 innkoplet mellom kjølesystemet og hver innsprøytingsport 37,39, for pumping av væske fra separatorene 47,49 gjennom kjølesystemet 45 og inn i kompresjonskammerne 9,11. Pumpene er fortrinnsvis utført for pumping av dusj væske inn i kammerne med en konstant mengde etter som trykket i kompresjonskammerne øker under komprimeringen. En beholder 51 tjener til å levere erstatning for væske som ikke gjenvinnes eller som går tapt fra gjenvinningssystemet .

En typisk driftsyklus for gasskompressoren 1 i fig. 4 er som følger, idet man tar utgangspunkt i at det massive stempelet 12 befinner seg i ro like over bunnen av det nedre kammer 11, hvilende på en pute av komprimert gass. Samtlige gassinnløps-og utløpsventiler i såvel øvre som nedre kammer 9,11 er lukket, og det øvre kammer 9 inneholder en mengde av kold ekspandert gass, som er innført tidligere via innløpsporten 21 for varm komprimert gass, sammen med en ekstra gassmengde som tidligere er innført gjennom gassinnløpsporten 29.

Når stempelet 12 kommer til ro i det nedre kammer 11 åpner gassinnløpsventilen 27 for varm komprimert gass og en ladning av varm komprimert gass går inn i det nedre kammer. Etter en bestemt tid lukker innløpsventilen. Gassen ekspanderer adiabatisk og presser herved stempelet 12 ut av det nedre kammer 11 og inn i det øvre kammer 9. Ekspansjonsenergien til den varme komprimerte gass overføres til kinetisk energi for det massive stempel, som skyves oppover og får potensiell energi. I sin tur vil stempelets kinetiske energi delvis være omdannet til kompresjonsenergi for den komprimerte gass i det øvre kammer 9. Når stempelet 12 beveger seg inn i det øvre kammer 9 vil gass i det øvre kammer 9 komprimeres. En kold væskedusj sprøytes inn i det øvre kammer 9 for å hindre en oppvarming av gassen, slik at kompresjonen kan ses på som tilnærmet isotermisk.

Den adiabatiske ekspansjon av den varme komprimerte gass som innføres i det nedre kammer 11 vil gi tilstrekkelig kinetisk energi til stempelet 12 i retning av det øvre kammer 9, slik at når den oppadrettede skyvekraft som tilveiebringes av den ekspanderende gass i det nedre kammer 11, mot stempelet 12, blir mindre enn den nedadrettede kraft på stempelet (som følge av stempelets masse og vekt og trykket til gassen i det øvre kammer), vil stempelet 12, som følge av sin store treghet, fortsette sin oppadrettede bevegelse inn i det øvre kammer 9. Når gasstrykket i det nedre kammer faller under trykket til forrådet av ekstra gass, vil gassinnløpsventilen 35 i det nedre kammer åpne. Derved trekkes en ekstra gassmengde inn i det nedre kammer etter som stempelet fortsetter sin bevegelse oppover.

Når gasstrykket i det øvre kammer når den ønskede verdi vil utløpsventilen 17 for komprimert gass åpne og kold komprimert gass sammen med sprøytevæske vil da gå ut fra det øvre kammer gjennom utløpsporten 13. Den komprimerte gass går igjennom separatoren 47, hvor sprøytevæske fjernes fra gassen. Uttrukket væske går til kjøleren 45 hvor den kjøles før gjentatt benyttelse i væskedusjen.

Når stempelet 12 når enden av sin bevegelse i det øvre kammer 9 vil utløpsventilen 17 for komprimert gass lukke. Restgass i det øvre kammer vil stoppe stempelet 12. Lukkingen av gass-utløpsventilen 17 styres fordelaktig slik at i det øyeblikk stempelet reverserer i det øvre kammer 9 vil gasstrykket i kammeret være likt gassinnløpstrykket for den varme komprimerte gass. Når stempelet stopper lukker gassinnløpsventilen 35 i det nedre kammer, slik at nå samtlige gass-innløps- og utløpsventiler i det nedre kammer vil være lukket. Gass-innløpsporten 25 for varm komprimert gass åpner og en ladning av varm komprimert gass innføres i det øvre kammer igjennom innløpsporten 21 for varm komprimert gass. Etter en bestemt tid vil gassinnløpsventilen lukke og gassen vil så ekspandere adiabatisk og presse stempelet 12 ut av det øvre kammer 9 og inn i det nedre kammer 11. På denne måten blir ekspansjonsenergien til gassen i det øvre kammer overført til kinetisk energi for stempelet i retning av det nedre kammer. Stempelets potensielle energi, som skyldes dets masse og høyde, blir også omdannet til kinetisk energi. Gassen i det nedre kammer (som består av en mengde av kjølig ekspandert gass tidligere innført gjennom gassinnløpsporten 23 for varm komprimert gass og en mengde av ekstra gass innført gjennom gassinnløpsporten 31) komprimeres ved en bevegelse av stempelet 12 inn i det nedre kammer 11, og en væskedusj føres inn i det nedre kammer for å absorbere kompresjonsvarmen fra gassen og derved hindre en øking av gasstemperaturen, slik at således kompresjonsprosessen kan ses på som tilnærmet isotermisk. Stempelets kinetiske energi omdannes til kompresjonsenergi i gassen i det nedre kammer 11.

Når gasstrykket i det øvre kammer 9 synker under det for tilførselen av ekstra gass vil gassinnløpsventilen 33 åpne og en ekstra gassmengde trekkes inn i det øvre kammer 9 mens stempelet 12 fortsetter sin nedadrettede bevegelse ut av det øvre kammer 9.

Når gasstrykket i det nedre kammer 11 når den ønskede verdi vil gassutløpsventilen 19 for komprimert gass åpne og den komprimerte gass, sammen med sprøytevæske, går ut fra det nedre kammer igjennom utløpsporten 15 for komprimert gass. Den komprimerte gass og sprøytevæsken går til fuktighetsseparatoren 49, hvor sprøytevæske fjernes fra den komprimerte gass. Væsken går til kjøleren 45 før den benyttes igjen som væskedusj.

Like før stempelet 12 når grensen for sin bevegelse i det nedre kammer 11 vil gassutløpsventilen 19 for komprimert gass lukke og stenge for den rest av komprimert gass som befinner seg i det nedre kammer og som vil tjene til å stoppe stempelet. Lukkingen av gassutløpsventilen styres fordelaktig slik at trykket til gassen i det nedre kammer på stempelets reversingstidspunkt vil være lik gassinnløpstrykket for den varme komprimerte gass. Når stempelet stopper lukker gass-innløpsventilen 33 i det øvre kammer, slik at samtlige gass-innløps- og utløpsventiler i det øvre kammer 9 nå vil være lukket. Gassinnløpsventilen 27 for varm komprimert gass åpnes og det innføres en ny ladning av varm komprimert gass i det nedre kammer. Syklusen blir så gjentatt.

Som nevnt foran er den vertikale, lineære gasskompressor i fig. 4 bare tilnærmet symmetrisk, som følge av vekten til stempelet som virker i retning av det nedre kammer. Vanligvis vil det være ønskelig at utløpstrykket for den komprimerte gass er det samme i både det øvre og det nedre kammer, slik at komprimert gass kan tilføres med konstant trykk over syklusen. Videre er det også fordelaktig at gassinnløps-trykket for varm komprimert gass er det samme i såvel øvre som nedre kammer. Begge disse betingelser kan oppnås ved å tilveiebringe gasstrømmer med ulike mengder i øvre og nedre kammer. Gassgjennomgangen i øvre og nedre kammer kan styres i samsvar med størrelsen til gass-innløps- og utløpsportene og/eller de tidsperioder i hvilke gass-innløps- og utløps-ventilene er åpne.

På grunn av det rom som alltid blir igjen mellom stempelet og toppen i det øvre kammer når stempelet stopper der, vil ikke all sprøytevæske i det øvre kammer gå ut, dvs. at det alltid blir igjen noe væske i det øvre kammer. Denne restvæske forventes imidlertid ikke å ha noen alvorlig innvirkning på kompressoren. Noe væske kan også bli igjen i det nedre kammer etter hver kompresjonssyklus, men en fjerning av sprøytevæske kan understøttes eksempelvis ved egnet tilforming av bunnen av kammeret og slik plassering av gass-innløps- og utløps-porter at væske kan drenere ut av kammeret.

En annen utførelsesform av gasskompressoren, med et massivt stempel som beveger seg lineært og vertikalt, er vist anvendt i et gassturbinanlegg i fig. 5. I denne utførelsesform blir kold komprimert gass produsert i det øvre kammer og i så henseende er kompressoren lik de som er vist i fig. 3 og 4. Til forskjell fra de tidligere utførelser er imidlertid det nedre kammer lukket og inneholder en gassmengde som tjener som en fjær for absorbering av stempelets kinetiske energi under dets bevegelse nedover, ut av det øvre kammer, og til å pådra kinetisk energi igjen til stempelet i den motsatte retning, inn i det øvre kammer.

Gasskompressoren 1 i fig. 5 innbefatter et øvre kammer 9, plassert i hovedsaken vertikalt over et nedre kammer, og et massivt stempel 12 anordnet for fri svingebevegelse mellom de to kammere. Kompressoren 1 innbefatter tetningsmidler 14 for å hindre gasslekkasje fra kammerne mellom stempelet og kammerveggene. Det øvre kammer 9 har et innløp 21 for varm komprimert gass, styrt med en ventil 25, for innslipping av varm komprimert gass i kammeret; en utløpsport 13 for kold komprimert gass, styrt av en ventil 17, for uttrekking av kold komprimert gass fra kammeret, og en gassinnløpsport 29, med en ventil 33, for innslipping av en ekstra gassmengde i det øvre kammer 9 når gasstrykket i kammeret synker under en viss verdi.

I det øvre kammer er det også en innsprøytingsåpning 37 for innsprøyting av en væskedusj under komprimeringen. Et gjenvinningssystem er anordnet for gjenvinning av sprøytevæske fra kompresjonskammeret etter komprimeringen. Gjenvinningssystemet innbefatter en fuktighetsseparator 47 tilknyttet utløpsporten 13 i det øvre kammer, for fjerning av sprøyte-væske fra den kolde komprimerte gass som forlater kammeret; et kjølesystem 45 tilknyttet fuktighetsseparatoren 47 for kjøling av sprøytevæsken, og en pumpe 43 mellom kjølesystemet 45 og innsprøytingsporten 13 i det øvre kammer 9, for pumping av væske fra fuktighetsseparatoren 47, gjennom kjølesystemet 45 og inn i det øvre kammer 9 via en sprøytedyse (ikke vist). Det er sørget for en beholder med sprøytevæske for erstatning av væske som ikke gjenvinnes eller som går tapt fra gjenvinningssystemet .

Det nedre kammer 11 inneholder en gassmengde som i den grad det er mulig, er permanent avtettet i kammeret 11. Noe gass vil kunne lekke fra det nedre kammer gjennom pakningen 14 mellom det massive stempel og kammerveggene, mens det kan treffes tiltak for å erstatte enhver gass som måtte gå tapt fra det nedre kammer, eksempelvis ved at det forefinnes en gassinnløpsport i det nedre kammer, styrt av en ventil, for innslipping av erstatningsgass fra en egnet trykkilde.

En typisk operasjonssyklus for kompressoren i fig. 5 er som følger, med utgangspunkt i at det massive stempel 12 befinner seg i stillstand ved toppen av sin slaglengde i det øvre kammer 9. På dette tidspunkt vil utløpsventilen 17 for komprimert gass og gassinnløpsventilene 25 og 33 være lukket. Kammeret kan inneholde en lomme med komprimert gass.

Når stempelet snur, åpner innløpsventilen 25 for varm komprimert gass. En ladning varm komprimert gas går inn i det øvre kammer. Etter et bestemt tidsintervall lukker gass-innløpsventilen 25 for varm komprimert gass og den varme komprimerte gass ekspanderer adiabatisk og driver stempelet 12 ned og ut av det øvre kammer. Etter som stempelet 12 går inn i det nedre kammer 11 vil gassen der komprimeres adiabatisk, slik at den kinetiske energi som virker på stempelet 12 i retning av det nedre kammer vil absorberes av gassen, både som trykkenergi og termisk energi. Sistnevnte resulterer i en øking av gasstemperaturen. Når trykket til den ekspanderende gass i det øvre kammer 9 synker til innløpstrykket for tilførselen av ekstra gass, vil gass-innløpsventilen 33 åpne og en ekstra gassmengde trekkes inn i det øvre kammer ved fortsatt nedadrettet bevegelse av stempelet 12. Når all kinetisk stempelenergi er absorbert av gassen i det nedre kammer, vil stempelet komme til hvile og gassinnløpsventilen 33 i det øvre kammer lukker. Den nå varme komprimerte gass i det nedre kammer vil ekspandere adiabatisk og levere kinetisk energi til stempelet 12 i retning av det øvre kammer 9. Når stempelet går tilbake inn i det øvre kammer 9 vil gassen der, som består av en gassmengde tidligere innført som varm komprimert gass gjennom gass-innløpsporten 13 og en ekstra mengde med gass under relativt lavt trykk innført gjennom gassinnløpsporten 29, komprimeres. Når gassen komprimeres sprøytes væske inn i det øvre kammer i form av små dråper, for derved å absorbere gassens kompre-sjonsvarme, slik at komprimeringen skjer tilnærmet isotermisk. Innsprøytingen kan styres slik at den begynner når gasstemperaturen i det øvre kammer har nådd temperaturen til sprøytevæsken. Når gasstrykket i det øvre kammer 9 når den ønskede verdi åpner utløpsventilen 17 for komprimert gass og den kolde komprimerte gass sammen med sprøytevæsken trekkes så ut fra det øvre kammer igjennom gassutløpsporten 13. Den komprimerte gass og sprøytevæsken går til fuktighetsseparatoren 47, hvor sprøytevæsken fjernes fra gassen.

Før stempelet når sitt øverste nivå i det øvre kammer vil utløpsventilen 17 for komprimert gass lukke og den resterende gass i det øvre kammer vil assistere for å bringe stempelet til stopp. Når stempelet stopper åpner innløpsventilen 25 for varm komprimert gass og en ny ladning av varm komprimert gass innføres i det øvre kammer igjennom gassinnløpsporten 21 for derved å repetere syklusen.

Da denne utførelsesform bare har et kammer for produksjon av kold komprimert gass, blir komprimert gass bare produsert en gang pr. syklus. For å produsere gass på en mer konstant måte over syklustiden kan en eller flere ytterligere slike gasskompressorer anordnet, idet de drives med innbyrdes faseforskyvning. Benyttes eksempelvis en ytterligere kompressor, så kan deres drivsykluser ha en faseforskyvning på 180°. Avhengig av hvordan kompressoren er anordnet kan fase-separeringen utnyttes for å hjelpe til med å hindre mekanisk vibrasjon som skyldes akselerasjon og bremsing av de massive stempler.

I en alternativ utførelsesform av kompressoren med et massivt stempel som beveger seg lineært og vertikalt, kan det nedre stempel utformes for produksjon av isotermisk komprimert gass, og for innføringen av varm komprimert gass for påtrykking av kinetisk energi på stempelet i retning oppover. Det øvre kammer kan benyttes for innerlukking av en gassmengde som komprimeres adiabatisk av stempelet under dets oppadgående slagbevegelse, for derved å absorbere stempelets kinetiske energi, med etterfølgende ekspansjon for å avgi kinetisk energi til stempelet nedover i retning av det nedre kammer. I denne utførelsesform, som i hovedsaken er en omvendt utførelse av den i fig. 5, vil stempelets kinetiske energi i retning av det øvre kammer omdannes til såvel kompresjonsenergi som termisk energi for gassen i det øvre kammer og potensiell energi som følge av tyngdekraften. Alternativt kan det øvre kammer utelates, slik at all kinetisk energi som er påtrykket det massive stempel ved innføringen av varm komprimert gass i det nedre kammer vil omdannes til potensiell energi som følge av tyngdekraften og deretter bli frigjort som kinetisk energi i den motsatte retning, mot det nedre kammer, for komprimering av gassen der. Fordelaktig krever denne spesielle utførelsesform bare et kammer og krever intet hjelpeutstyr i forbindelse med et adiabatisk kompresjons/ekspansjons-kammer for erstatting av tapt gass. En fordel med den isotermiske kompresjon i det nedre kammer er at kammeret kan utføres for å trekke nytte av den potensielle assistanse som tyngdekraften gir med hensyn til fjerning av sprøytevæske.

I en annen utførelsesform kan gasskompressoren innbefatte et massivt stempel anordnet for bevegelse i et horisontalt plan.

Fig. 56 viser et eksempel på en slik utførelse med to horisontale motliggende kamre og et massivt stempel anordnet til å bevege seg lineært frem og tilbake, inn og ut av hvert kammer.

I fig. 6 har gasskompressoren to horisontale kammere 9,11. Hver kammer har en innløpsport 21,23 for komprimert gass, med tilhørende ventiler 25,27 for innføring av varm komprimert gass i det respektive kammer. Videre har hvert kammer en utløpsport 13,15 for komprimert gass, styrt av en respektiv ventil 17,19 for uttrekking av komprimert gass fra kammeret, en gassinnløpsport 31,33, med tilhørende gassinnløpsventil 35,37 for innslipping av ekstra gass i hvert kammer, og en innsprøytingsport 37,39 for innsprøyting av en væskedusj i hvert kammer for kontroll av gasstemperaturen. Gasskompressoren har et massivt stempel 12 med antifriksjonslagre 14,16 og kan fritt svinge mellom de to kammere 9 og 11. En glide-tetning 56,58 er anordnet mellom stempelet og veggene i hvert kammer, for å hindre gasslekkasje mellom stempelet 12 og kammerveggene. I dette utførelseseksempel er hver ende av stempelet 12 hvelvet, og det samme gjelder for endene i kammerne 9,11.

Det er anordnet et gjenvinningssystem for væske som benyttes i dusjingen, og for behandling av væsken for gjentatt bruk som dusjvæske. Gjenvinningssystemet innbefatter separatorer 47,49 tilknyttet en respektiv utløpsport 13,15 for komprimert gass, for fjerning av sprøytevæske fra den komprimerte gass. Utløpsportene er utformet i den nedre del av hvert kammer, for å lette fjerningen av sprøytevæsken. Fuktighetsseparatorene 47,49 er tilknyttet et kjølesystem 45 for kjøling av sprøytevæsken. En pumpe 43,44 for hvert kammer er innkoplet mellom kjølesystemet 45 og innsprøytingsportene 37,39 for pumping av væske fra separatorene 47,49, gjennom kjøle-systemet og tilbake til hvert kammer gjennom innsprøytings-portene.

Driftssyklusen til denne utførelsesform av gasskompressoren er som følger, med utgangspunkt i at stempelet 12 befinner seg helt til høyre i det høyre kammer 11, med samtlige ventiler i kammeret 11 lukket. Det høyre kammer 11 inneholder en liten mengde av adiabatisk komprimert gass, som har tjent til å stoppe stempelet. På dette tidspunkt inneholder det venstre kammer en gassmengde bestående av kjølt ekspandert gass tidligere innført som varm komprimert gass gjennom gassinnløpsporten 21, og en ekstra mengde med gass under relativt lavt trykk, tidligere innført gjennom gassinnløps-porten 31. Samtlige ventiler i det venstre kammer 9 er lukket.

Etter at stempelet har stoppet vil den komprimerte gass i det høyre kammer 11 begynne å ekspandere og skyve stempelet 12 ut av kammeret. Samtidig åpner gassinnløpsventilen 27 for varm komprimert gass som innføres i det høyre kammer. Etter en viss tid vil gassinnløpsventilen 27 lukke. Den varme komprimerte gass vil ekspandere adiabatisk og presse stempelet 12 ut av det høyre kammer 11 og inn i det venstre kammer 9. Ekspansjonsenergien overføres til kinetisk energi for stempelet i retning av det venstre kammer 9. Når stempelet 12 beveger seg inn i det venstre kammer 9 vil gassen komprimeres. Samtidig blir væske i form av en væskedusj sprøytet inn i kammeret for å kjøle gassen under komprimeringen.

Når trykket til den ekspanderende gass i det høyre kammer 11 synker under en bestemt verdi åpner gassinnløpsventilen 37 og en ekstra mengde med gass under relativt lavt trykk trekkes inn i det høyre kammer gjennom gassinnløpsporten 33.

Når gasstrykket i det venstre kammer 9 når en ønsket verdi vil innsprøytingen gjennom porten 37 stoppes. Utløpsventilen 17 for komprimert gass åpner og komprimert gass vil sammen med sprøytevæske trekkes ut fra kammeret gjennom gassutløps-porten 13. Den komprimerte gass og sprøytevæske vil gå igjennom fuktighetsseparatoren 47, hvor sprøytevæsken fjernes fra gassen. Sprøytevæsken går så igjennom en kjøler 45 før den benyttes om igjen i sprøytedusjen.

Før stempelet 12 når sin venstre bevegelsesbegrensning i det venstre kammer 9 vil utløpsventilen 17 for komprimert gass-lukke og den resterende gass i kammeret komprimeres adiabatisk og bringe stempelet til å stoppe. På dette tdfspunkt lukker gassinnløpsventilen 37 i det høyre kammer 11. Stempelet reverserer sin retning når den resterende gass ekspanderer og på dette tidspunkt vil innløpsventilen 25 for varm komprimert gass åpne og en ny ladning varm komprimert gass går inn i det venstre kammer 9 gjennom innløpsporten 21. Ventilen 25 lukker etter en viss tid. Den varme komprimerte gass vil ekspandere adiabatisk og presse stempelet 12 ut av det venstre kammer 9 og tilbake inn i det høyre kammer 11.

Samtlige innløps- og utløpsventiler i det høyre kammer 11 er lukket og kammeret 11 inneholder en gassmengde bestående av kjølt ekspandert gass tidligere innført som varm komprimert gass gjennom innløpsporten 23, og en ekstra mengde av gass under relativt lavt trykk, tidligere innført gjennom innløpsporten 33. Når stempelet 12 beveger seg inn i det høyre kammer 11 vil gassen komprimeres. Samtidig sprøytes væske inn i kammeret gjennom innsprøytningsporten 39 for å kjøle gassen under komprimeringen. Når gasstrykket i det venstre kammer 9 har sunket til en viss bestemt verdi vil gassinnløpsventilen 17 åpne og en ekstra mengde med gass under relativt lavt trykk vil trekkes inn i det venstre kammer 9 gjennom gassinnløpsporten 13.

Når gasstrykket i det høyre kammer 11 har nådd den ønskede verdi vil utløpsventilen 19 for komprimert gass åpne og komprimert gass sammen med sprøytevæske vil trekkes ut fra kammeret gjennom utløpsporten 15. Den komprimerte gass og sprøytevæsken går så til separatoren 49, hvor sprøytevæsken fjernes fra den komprimerte gass. Væsken går så til en kjøler 45 hvor den kjøles før den returneres for bruk som væske i innsprøytingsdusjen.

Før stempelet når sitt endepunkt i det høyre kammer 11 vil utløpsventilen 19 lukke. Innsprøytingen stopper og restgassen komprimeres adiabatisk og stopper stempelet 12. På dette tidspunkt vil samtlige ventiler i det venstre kammer være lukket og innløpsventilen 27 åpner for innføring av en ny ladning av varm komprimert gass til det høyre kammer 11. Denne gass ekspanderer og presser stempelet ut av det høyre kammer og inn i det venstre kammer for repetering av syklusen.

Man kan også tenke seg andre former gasskompressorer med et horisontalt bevegbart massivt stempel og med ulike drifts-karakteristikker. Eksempelvis kan et av kammerne benyttes som et adiabatisk kompresjons/ekspansjonskammer og inneholde en avtettet gassmengde som vekselvis komprimeres og ekspanderer adiabatisk, med omdannelse av den kinetiske energi for stempelet i retning av kammeret til kinetisk energi for stempelet i den andre retning, ut av kammeret. Kammeret vil således virke på lignende måte som det nedre kammer i fig. 5.

Da det massive stempel er anordnet til å bevege seg i horisontalplanet, må det treffes tiltak for å understøtte stempelet og samtidig fortrinnsvis minimalisere eventuelle friksjonskrefter som tenderer til å motsette seg stempelets horisontale bevegelse. Bærelagerne kan være mekaniske lagre, eksempelvis rullelagre, spesielt utformet for å bære stempelets vekt. Vekten til stempelet på hvert lager kan reduseres ved å øke antall lagre. Selv om det er ønskelig å gjøre stempelet så kompakt som mulig kan man variere stempel-vekt pr. enhetslengde og -bredde ved å variere stempeldimen-sjonene tilsvarende. Stempelet kan ha en hvilken som helst form og kan ha forskjellige tverrsnittsformer over lengden. Således kan stempelmassen også variere over stempellengden og det kan være fordelaktig å konsentere stempelmassen i en bestemt stempeldel. I noen tilfeller kan det være fordelaktig å utføre bærelagerne slik at de bidrar til en vesentlig andel av den totale stempelmasse. Andre typer antifriksjonslagere som kan benyttes for stempelet kan være slike som baserer seg f.eks. på magnetisk levitasjon eller levitasjon ved hjelp av kraftpåvirkede fluider.

I noen tilfeller kan det være en fordel å tilveiebringe sprøytedusjen, som holder luften eller gassen i kompresjonskammeret nær opptil isoterme betingelser under komprimeringen, utenfor kompresjonskammeret. Dusjen eller tåken kan således tilveiebringes i en separat ekstern beholder som inneholder luft eller en annen gass. Væskedusjen eller -tåken kan så trekkes inn i kompresjonskammeret sammen med luften eller en annen gass før komprimeringen.

Fig. 7 viser en lineær vertikal gasskompressor, lik den i fig. 5, men med en separat beholder utenfor kompresjonskammeret. I denne beholder kan det tilveiebringes en tåke for kjøling av gassen under komprimeringen, idet tåken blandes med atmosfæreluft før den går inn i kompresjonskammeret. I fig. 7 har kompressoren et øvre kammer 9, anordnet vertikalt over et nedre kammer 11. Et massivt stempel 12 kan fritt bevege seg vertikalt opp og ned, dvs. inn i og ut av kammerne. Det øvre kammer 9 har en innløpsport 21 for varm komprimert gass, styrt av en ventil 25 for innslipping av varm komprimert gass i kammeret for drift av stempelet 12 nedover. Videre forefinnes det en utløpsport 13 for kold komprimert gass, styrt av en ventil 17 som muliggjør at kold komprimert gass kan trekkes ut fra kammeret 9, samt en gass innløpsport 29, styrt av en ventil 33 for å muliggjøre en innføring av en væskedusj i kammeret sammen med den ekstra gass som har et relativt lavt trykk. Gassinnløpsporten 29 er tilknyttet en separat beholder 55 hvor tåken tilveiebringes.

En gass-innløpsport 57 er anordnet for å muliggjøre at gass trekkes inn i tåkegeneratoren 55.

Væske separert fra den kolde komprimerte gass som går fra kompresjonskammeret, blir resirkulert ved hjelp av en pumpe 43 via en kjøler 45 og returnert til tåkegeneratoren 55. Væskedusjen eller tåken kan tilveiebringes i tåkegeneratoren 55 ved hjelp av konvensjonelle midler, eksempelvis ved at væsken presses gjennom en eller flere sprøytedyser. Under stempelets 12 nedadrettede bevegelse åpner gassinnløps-ventilen 33 og gass trekkes inn i tåkegeneratoren 55 igjennom gassinnløpsporten 57 og vil sveipe de fine væskedråper inn i kompresjonskammeret gjennom gassinnløpsporten 29. Fordi væskedusjen innføres i kompresjonskammeret mens trykket der er relativt lavt, og fordi innsprøytingen skjer før istedenfor under komprimeringen, reduseres pumpearbeidet for pumping av væsken og det bør kunne oppnås en bedre dråpefordeling i gassen inne i kompresjonskammeret. Ved å danne sprøytedusjen utenfor kompresjonskammeret, vil det også kunne være mulig å oppnå en finere dusj. Eksempelvis vil det kunne lønne seg å separere ut de større dråper og resirkulere dem istedenfor å sprøyte dem inn i den isotermiske kompressor. Det vil også være ønskelig å kunne assistere gasstrømmen inn i tåkegeneratoren med lavtrykksvifter. Tåkegeneratoren kan også innbefatte en mekanisk anordning såsom en roterende skive eller roterende vinger for oppbryting av dråpene i en fin tåke.

Bortsett fra den måte hvormed væskedusjen og den atmosfæriske luft innføres i kompresjonskammeret, virker gasskompressoren i fig. 7 på samme måte som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 5.

De foran beskrevne utførelser av kompressoren drives alle med varm komprimert gass. En alternativ drivmetode er å benytte et væsketrykk. Lagringsmidlene for den kinetiske energi kan hensiktsmessig dannes av et massivt stempel, hva enten dette er helt oppbygget av faste stoffer, væske eller begge deler, anordnet for overføring av væskeenergien til kompresjonsenergi i gassen. En utførelsesform av en isotermisk kompressor med væskestempel som arbeider på denne måte, er vist i fig. 8.

Den isotermiske kompressor i fig. 8 innbefatter to rør 102 og 103. Hvert av disse har et horisontalt midtparti 105 og 107, og hvert rør inneholder et væskestempel 109,111. Det ene endeparti 113 henholdsvis 115 i rørene 102,103 går vertikalt oppover og danner respektive gasskompresjonskammere 117 og 119. De andre endene til rørene 102 og 103 er utformet som en enkelt stor beholder 127.

I rørenes 102,103 horisontale partier 105,107 er det hoved-strømningsventi ler 139,131 for styring av strømmen av væske fra akkumulatoren 127. I de horisontale partier 105 og 107 er det utløpsporter 133 og 135 mot hovedstrømningsvent i lene 129 og 131. I utløpsportene 133 og 135 er det dreneringsventiler 137,139 for styring av strømmen av væske som drenerer fra rørene 102 og 103. En hovedpumpe 141 er innkoplet mellom utløpsportene 133 og 135 og akkumulatoren 137, for opplading igjen av akkumulatoren med væske som dreneres gjennom utløpsportene 133 og 135.

Som foran er det sørget for væskedusjer for hvert kammer 117 og 119, for kjøling av den komprimerte gass. Hvert kammer 117,119 har en gassutløpsport 147 og 149 og hver av disse har en ventil 151 og 153 for å muliggjøre at kold komprimert gass kan tas ut fra hvert kammer 117 og 119. Hvert kammer har en gassinnløpsport 155 og 157 for innslipping av gass i hvert kammer fra en egnet kilde.

Under drift vil akkumulatoren virke som et lager for trykksatt væske for tilveiebringelse av trykkstrømmer for drift av væskestemplene 109 og 111. Tidsstyringen av disse strømning-ene skjer ved hjelp av hovedstrømningsventilene 129 og 131 i rørene 102 og 103. Når en hovedstrømningsventil åpnes vil en væskestrøm gå gjennom ventilen og drive væskestempelet inn i kammeret og komprimere gassen. Samtidig vil en sprøytedusj tilordnet dette kammer aktiveres for kjøling av gassen under komprimeringen. Utløpsventilen for komprimert gass åpner når trykket i kammeret når en bestemt verdi.

Når væskestempelet når toppen av sin bevegelsesstrekning vil hovedstrømningsventilen lukke og dreneringsventilen åpne. Samtidig vil gassutløpsventilen lukke og gassinnløpsventilen åpne, slik at gass under lavt trykk erstatter den drenerte væske. Den drenerte væske resirkuleres til akkumulatoren ved hjelp av hovedpumpen 141.

Fordelaktig er tidsstyringen for væskestemplene 109 og 111 i hvert rør slik at væske returneres til akkumulatoren fra det ene rør samtidig som væske strømmer ut fra akkumulatoren og inn i det andre rør. I et to-rør system vil derfor væske-stempelsyklusen i hvert rør befinne seg i en antifase. Generelt gjelder at gassen over væskenivået komprimeres når innstrømningen overskrider utstrømningen, og ekspanderer når det omvendte skjer. Hensikten er å minimalisere variasjoner i trykket og strømmen levert av pumpen 141, slik at pumpen kan arbeide nær sitt beste virkningspunkt hele tiden. Fordelaktig ekspanderer og trekker gassen seg sammen adiabatisk. Akkumulatoren er isolert for å minimalisere varmetap under komprimeringen av akkumulatorgassen. Den akkumulerte gass er ikke tilknyttet den gass som komprimeres og det foreligger således intet behov for at de to gasser skal være like. Fordelaktig begrenses væskeutstrømningen fra akkumulatoren av tregheten til væskestempelet, slik at det derved hindres en for sterk trykkvariasjon for gassen i akkumulatoren.

Hovedstrømningsventilene 129 og 131 starter bevegelsen til væskestempelet. Disse ventiler åpner når væsken er pumpet ut av kompresjonskammeret. De lukker når væskestempelet har nådd sitt maksimale bevegelsespunkt i kompresjonskammeret. Hoved-styreventilene er en kritisk del av den væskedrevne isotermiske kompressor. Rørdiameteren kan være relativt stor og det er allikevel vesentlig at ventilene kan åpne og lukke raskt og ofte. Ventilene vil måtte holde tilbake et trykk på kanskje åtte bar. Et ytterligere krav er at ventilene måte ha minimal strømningsmotstand i åpen stilling. En formildende faktor er at ventilene bare åpner og lukker når væskestrømmen snur i retning og momentant har null hastighet. Selv om andre ventiler kan benyttes, foretrekkes det en ventil som innbefatter et sett av klaffer anordnet på et antall stenger på tvers av rørtverrsnittet. Klaffene bør profileres slik at de har minimal strømningsmotstand når de er innrettet i forhold til strømningen.

Dreneringsventilene 137 og 139 er anordnet til å åpne når væskestempelet når sin maksimale bevegelsesutstrekning, og å lukke når kompresjonskammeret dreneres. Dette betyr at ventilene arbeider 180° ut av fase i forhold til hovedstrøm-ningsventilene 129 og 131. Væskedreneringsventilene er fortrinnsvis av samme type som hovedstrømningsventilene.

Sprøytepumpene 159 og 151 er innkoplet mellom akkumulatorbe-holderen og sprøytene for tilføring av væske for sprøytene. Fortrinnsvis er kjølere 163 og 165 lagt inn mellom sprøyte-pumpene 159 og 161 og sprøytene for å kjøle væsken. Sprøyte-pumpene kan være av den positive fortrengningstype for å sikre en konstant strøm mens trykket i kompresjonskammeret endrer seg.

Hovedforskjellene mellom de hittil beskrevne gassdrevne og væskedrevne isotermiske kompressorer er som følger. Selv om begge kompressortyper baserer seg på de samme fysiske prinsipper, dvs. bruk av et massivt væske- og/eller faststempel for gjennomføring av den isotermiske kompresjon, tilveiebringes hovedkraften ved hjelp av ulike midler. Ser man på væskestempel-kompressorer så har det gassdrevne system ikke store ventiler neddykket i væsken i hovedrørledningen. Friksjonstapet for væskestempelet vil derfor være minimal-isert i det gassdrevne system. Den utførelsen av den gassdrevne væskestempel-kompressor som er vist i fig. 1 har to gassvolumer i hver væskestempelsyklus, mens den væskedrevne kompressor bare har et gassvolum/syklus. Den væskedrevne kompressor vil vanligvis kreve en større pumpe som hoved-kraftkilde, mens den gassdrevne kompressor krever en vanlig gasskompressor, eksempelvis av den type som vanligvis er tilkoplet en gassturbin.

Selv om, under henvisning til fig. 1,2 og 8, de ledningsarmer som danner væskestempelet går i hovedsaken vertikalt, og det er nevnt at røret har et tilnærmet horisontalt midtparti, slik at røret har en U-form, kan armene skrå med en ønsket vinkel, og U'en kan være bred, smal, grunn eller dyp. Flere U-rør kan settes sammen slik at en av armene er felles for flere rør, som vist i fig. 8, men dette kan også være aktuelt for de gassdrevne kompressorer som er vist i fig. 1 og 2. Røret kan ha en hvilken som helst egnet tverrsnittsgeometri, og særskilt gjelder at røret kan ha et tverrsnitt som er sirkulært, ovalt, elliptisk, triangulært, kvadratisk, rektangulært, åttekantet, polygonalt eller irregulært. Røret kan ha konstant tverrsnitt over lengden, eller tverrsnittet kan variere (eksempelvis både med hensyn til areal og/eller geometri). Således kan tverrsnittsarealet til kompresjonskammeret /kammerne være større eller mindre enn i den del av ledningen hvor væskestempelet dannes. Fordelaktig kan en ledning med et relativt lite tverrsnittsareal være billigere og lettere å bygge. Rørets lengde kan ligge mellom 10 og 500 m, og diameteren kan ligge mellom 0,2 og 10 m. Disse dimensjonsangivelser er imidlertid bare indikative og i visse tilfeller kan det benyttes verdier utenfor disse angitte områder. Røret kan være utformet som en tunnel gjennom bakken over den horisontale del, eller det kan legges i en grøft eller ligge avstøttet fra bakkeunderlaget. Det foretrekkes å dimensjonere røret for opptak av et massivt væskestempel slik at energi kan lagres som kinetisk energi i stempelet og også slik at friksjonstap som følge av væskestrømmen nær rørveggen holdes på et minimum.

Istedenfor to rør og to væskestempler i den væskedrevne isotermiske kompressor kan den utføres for drift med et eller flere enn to rør og væskestempler. Dersom det benyttes et enkelt rør så behøver hovedpumpen bare å arbeide over halvparten av varigheten til en komplett syklus for væske-stempelet. Et slikt tilfelle kan dekkes godt ved hjelp av en resiproserende pumpe som har et mekanisk stempel som arbeider i fase med væskestempelet. Det vil da heller ikke være behov for en dreneringsventil i utløpet i hovedrøret.

Alternativt kan utførelser av kompressoren ha et væskestempel som innbefatter et mekanisk fast stempel i hovedrøret, og drevet av en eller annen ekstern anordning for drift av væskestempelet. Det faste stempel vil fordelaktig svinge frem og tilbake i hovedrørets horisontale avsnitt, og på hver side av det faste stempel kan det være væskestempler.

Selv om i forbindelse med væskestempelkompressorer den nevnte væskedusj kan resirkuleres kontinuerlig ved at den trekkes ut fra det større rør og sirkuleres gjennom en ekstern kjøler før injiseringen i gassen, som vist i fig. 1, 2 og 8, kan væskedusjen tas fra et større forråd eller reservoar. I så tilfelle dreneres væsken samtidig fra det større rør for derved å holde den anvendte væskemengden tilnærmet konstant.

Varmeoverføringen mellom dusjen og gassen kan innbefatte en viss fordampning eller ikke. Dette vil i sterk grad være avhengig av utgangstemperaturen til de små dråper i dusjen, den varmemengde som er absorbert av dråpene, og kompresjons-tiden for gassen.

Gassturbinanlegg med forbrenningskammer og isotermisk kompressor

Hovedanvendelsen til den isotermiske gasskompressor antas å være på området til elektrisitets-fremstilling. Eksempelvis kan kompressoren benyttes sammen med en gassturbin. Fig. 9 viser et gassturbinanlegg 200 innbefattende en gassturbin 201, en isotermisk kompressor 203, en varmeveksler 205 for forvarming av den kalde komprimerte gass under utnyttelse av den varme lavtrykksgass fra gassturbinen 201, og en hovedvarmer 207 for tilveiebringelse av varm høytrykksgass fra den forvarmede komprimerte gass for drift av gassturbinen 201. Gassturbinen 201 er anordnet for drift av en strømgenerator 209. Hovedvarmeren 207 innbefatter et forbrenningskammer for brenning av brennstoff i den forvarmede trykksatte gass, med varm høytrykksgass som forbrenningsgass.

Dersom den isotermiske kompressor innbefatter en gasskompressor i samsvar med oppfinnelsen, vil den vanligvis drives av gassturbinen. I den gassdrevne kompressor kan eksempelvis den varme komprimerte gass være tilveiebragt med en konvensjonell kompressor. Som beskrevet foran vil denne type isotermisk kompressor produsere en større mengde kald komrpimert gass enn en konvensjonell kompressor, for en gitt energitilførsel. I den væskedrevne isotermiske kompressor vil det produseres samme gassmengde som i en konvensjonell kompressor, men produksjonen vil kreve mindre energi. Derfor vil enten mindre kraft fra gassturbinen for brukes for drift av kompressoren, eller den energi som er nødvendig for å drive den isotermiske kompressor vil være den samme for en konvensjonell kompressor, med unntak av at det produseres en større mengde gass for bruk for drift av gassturbinen.

Fordi avløpsvarmen fra gassturbinen benyttes for forvarming av innløpsgassen, som vanligvis vil være luft, vil det ikke være noe behov for en varmegjenvinning-dampgenerator og tilhørende dampturbin, som man trenger i et gassturbin- og dampanlegg med kombinert syklus. Fordi det ikke kreves noe dampanlegg, har man fjernet de begrensninger som et slikt dampanlegg legger på et gassturbinanlegg. Utløpstemperaturen fra gassturbinen kan derfor økes over de verdier som egner seg for en dampsyklus og kan optimaliseres for oppnåelse av den beste ytelse for gassturbinen. Dette vil kunne innbefatte bruk av en gassturbin med mer enn et forbrenningstrinn (dvs. gassturbin-gjenvarming). Videre kan en andel av den kjølige komprimerte luft fra den isotermiske kompressor benyttes for å øke kjølingen av gassturbinbladene, slik at man derved kan oppnå høyere turbininnløpstemperatur.

I syklusen kan det benyttes en hvilken som helst kjøling-systemform, såsom våte, tørre eller hybride kjøletårn eller direkte kjøling mot atmosfæren eller mot en vannmengde, såsom sjøen, en elv eller en innsjø.

I et tilfelle hvor den kalde komprimerte gass er luft og den varme høytrykksgass er gassproduktet fra forbrenningen, vil det vanligvis være mer varme tilgjengelig i forbrenningsgassen enn den som trengs for forvarming av den kalde komprimerte luft (som følge av forskjellene i varmekapasiteten til de to gasstrømmer). Denne overskuddsvarme kan benyttes for andre formål, såsom eksempelvis for oppvarming av en ekstra strøm av kald komprimert luft som så ekspanderes, uten forbrenning av brennstoff, gjennom en eller flere luftturbiner for derved å tilveiebringe mer kraft, med eventuell utnyttelse av en eller flere hjelpevarmevekslere for oppnåelse av dette. De ekstra luftturbiner og hjelpevarmevekslere vil være meget mindre enn hovedkomponentene i systemet, fordi strømningen gjennom denne kretsdel bare vil være en brøkdel av hovedstrømmen. Alternativt kan den ekstra varme fra forbrenningsgassen benyttes for tilveiebringelse av prosessvarme, romoppvarming eller et eller annet eksternt oppvarmingsformål. Fig. 10 viser et blokkdiagram for en gassturbinanlegg 300 hvor det første av disse alternativer kan gjennomføres.

Gassturbinanlegg og h. i elpe- luf tturbiner

Et gassturbinanlegg 300 innbefatter en gassturbin 301 som driver en første generator 309, en isotermisk kompressor 303, en varmeveksler 305 for oppvarming av den kalde komprimerte luft fra kompressoren ved hjelp av utløpsgassen fra gassturbinen 301. Mesteparten av den forvarmede komprimerte luft føres inn i forbrenningskammeret for brenning sammen med brensel for tilveiebringelse av forbrenhingsgass for gassturbinen 301. En del av den forvarmede komprimerte luft føres til innløpet i en første luftturbin 313 som driver en andre generator 315. Utløpsluften fra luftturbinen 313 går igjennom en luft/luft-varmeveksler 317 for forvarming av en del av kald komprimert luft fra den isotermiske kompressor for drift av en andre luftturbin 319. I denne utførelsen av et gassturbinanlegg er den isotermiske kompressor en gassdreven kompressor som drives av en roterende kompressor 311, drevet av gassturbinen 301.

Luftturbinanlegg og isotermisk kompressor

Istedenfor varmeveksleren 307 som innbefatter et forbrenningskammer, kan det benyttes en varmeveksler med ekstern oppvarmingskilde. Det kan her dreie seg om en kullfyrt eller oljefyrt ovn, varme fra en kjemisk prosess eller en industriprosess, en kjernereaktor eller en sol-ovn. Fig. 11 viser et blokkdiagram for et gassturbinanlegg innbefattende en luftturbin 401 og hvor hovedvarmeren 407 er en kullfyrt ovn. Arrangementet er lik det som er vist i fig. 9 med unntagelse av at den kalde komprimerte lufte fra den isotermiske kompressor forvarmes av utløpsluft fra luftturbinen og forvarmet luft fra varmeveksleren oppvarmes i hovedvarmeren 407 med etterfølgende ekspansjon i luftturbinen. Dette arrangement kan benyttes i tilfeller hvor det er uønskelig at forbrenningsprodukter fra et forbrenningskammer går gjennom turbinen. En sterkt lignende krets kan benyttes for varmekilder hvor man ikke har noen f orbrenningsprodukter (eksempelvis industrielle, kjemiske, sol, kjernetekniske, geotermiske kilder). En vesentlig forskjell vil være at den kullfyrte ovn erstattes med en annen type varmeveksler.

Når det gjelder gassturbinanlegget i fig. 9, så kan den eksternt oppvarmede syklus inkorporere gjenoppvarmingstrinn under ekspansjonen av luften i turbinen. Et trekk ved en hver åpen eller lukket, eksternt oppvarmet syklus, hvor det ikke benyttes forbrenningsprodukter som arbeidsfluidum, er at den termiske kapasiteten til utløpsgassen fra turbinen vil være i hovedsaken den samme som for innløpsgassen. Det vil si at det ikke forefinnes noen overskuddsvarme som man ellers ville ha som følge av forskjeller i varmekapasiteten til de to gasstrømmer, og det forefinnes derfor ingen ekstra turbiner i denne del av kretsen.

Fig. 12 viser en annen utførelse av et gassturbinanlegg 450, med en gassturbin 451 som driver en første generator 453 og en luftturbin 455 som driver den andre generator 457. Varme i utløpsgassen fra gassturbinen 451 gjenvinnes ved oppvarming av et forråd av kald komprimert luft, som så ekspanderes i en luftturbin 455. Fordi det benyttes en luftturbin som det siste lavtemperaturtrinn i syklusen betegnes syklusen som en luf t-bunnsyklus.

Gassturbinanlegg med luft- bunnsyklus

I fig. 12 blir varm komprimert luft fra en første roterende kompressor 459 ført til et forbrenningskammer 461 for forbrenning med brennstoff. Forbrenningsgassen føres så til gassturbinen 451, som driver den første generator 453. Varm komprimert luft fra den andre konvensjonelle roterende kompressor 463 føres til en isotermisk kompressor 465, som kan være en gassdreven kompressor av den type som er beskrevet foran og vist i en av fig. 1-7. Kald komprimert luft fra den isotermiske kompressor 465 føres til en varmeveksler 467 hvor den komprimerte luft varmes opp med varm avløpsgass fra gassturbinen 451. Den varme komprimerte luft fra varmeveksleren 467 føres til luftturbinen 455, som driver den andre generator 457.

Selv om luft-bunnsyklusen med isotermisk kompressor kanskje ikke er så effektiv som den i fig. 9 og 10 viste syklus, oppnås det allikevel en betydelig fordel med denne syklus derved at den i syklusen anvendte gassturbin kan være en av de som vanligvis benyttes i eksisterende gassturbinanlegg. Denne utførelsesform muliggjør derfor unngåelse av utgifter i forbindelse med utvikling av en ny gassturbin, samtidig som man også kan unngå de kapitalkostnader som påkommer for dampanlegget benyttet i en CCGT.

Energilagrings- og - gjenvinningsmetode

Den isotermiske kompressor kan benyttes for lagring av energi i form av komprimert gass og som luft. Det foreligger allerede forslag for lagring av energi i form av komprimert gass, men bruk av konvensjonelle kompressorer betyr at en betydelig energiandel går tapt som varme og ikke kan gjenvinnes. Dersom luften komprimeres isotermisk forbrukes mindre energi under komprimeringen og en større andel av den opprinnelige energi kan gjenvinnes. Den kalde komprimerte luft kan lagres i et egnet stor hulrom, som kan tolerere det pålagte trykk uten for stor lekkasje. Eksempelvis vil en nedlagt gruve eller oljebrønn kunne egne seg godt for et slikt formål. En brukt offshore-oljebrønn vil ha den fordel at sjøen vil gi en naturlig ekstern trykksetting som vil hindre lekkasje.

Vanligvis vil, når man ønsker å kjøre den isotermiske kompressor som isotermisk ekspanderingsinnretning, kald komprimert gass fra lagringsbeholderen bli ført inn i kompresjonskammeret og tillates å ekspandere der, slik at stempelet drives ut av kammeret. Når gassen ekspanderer sprøytes væske inn i kammeret for å holde gasstemperaturen konstant eller for å øke gasstemperaturen. Trykkenergien (og den termiske energi) til gassen omdannes til kinetisk energi som vil være tilgjengelig mot enten et andre stempel for derved å komprimere en gassmengde i et andre kammer eller mot det samme stempel for derved å komprimere gassen under stempelets returslag inn i kompresjonskammeret. Gassen komprimeres adiabatisk slik at dens temperatur heves til driftstemperaturen for en turbin, eksempelvis rundt 300° C for en luftturbin .

Fig. 13 viser et energi lagringsskjerna mer detaljert, hvor den lagrede energi gjenvinnes ved å kjøre en isotermisk kompressor i revers som en isotermisk ekspanderingsinnretning. I fig. 13a innbefatter energilagringsanlegget en isotermisk kompressor 501 lik den som er vist i fig. 1 og drevet av en roterende kompressor 503 som på sin side drives av en motor 505. Kompressoren innbefatter et øvre kammer 509 anordnet vertikalt over et nedre kammer 511, og et massivt stempel kan fritt bevge seg vertikalt opp og ned, inn og ut i hvert kammer. Det nedre kammer 511 inneholder et avtettet gassvolum og tjener som et adiabatisk f jaer ingskammer, for drift av stempelet tilbake inn i kompresjonskammeret 509. Det øvre kammer 509 har en innløpsåpning 521 for varm komprimert luft. Denne åpning styres av en ventil 525 hvormed det kan slippes inn varm komprimert luft i kammeret fra den roterende kompressor. En luftinnløpsåpning 529 styrt av en ventil 533 er anordnet for å slippe en ekstra mengde lavtrykksluft inn i det øvre kammer 509 under stempelets 512 utovergående bevegelse. En utløpsåpning 513 for komprimert gass og styrt av en ventil 517 er anordnet for å muliggjøre at komprimert gass kan tas fra kammeret. Utløpsåpningen 513 for komprimert gass er via en fuktighetsseparator tilknyttet et større hulrom, eksempelvis en nedlagt gruve, for lagring av kald komprimert luft. Det øvre kammer 509 har en væskedusj-innsprøytingsåpning 537 hvorigjennom væske sprøytes inn i kammeret fra en innsprøytingspumpe 543. Væske tilføres sprøyte-pumpen fra en egnet kilde, eksempelvis et reservoar, en elv, en innsjø eller en lagerbeholder 544 og går etterpå fra fuktighetsseparatoren til en vannlagerbeholder eller et reservoar 544. Sprøytevæske som utstøtes fra kompresjonskammeret etter komprimeringen vil vanligvis ha en temperatur over omgivelsestemperaturen og varmen i væsken kan lagres for senere bruk under en energigjenvinning. I dette tilfelle vil det være fordelaktig å foreta en termisk isolering av vannlagerbeholderen for derved å hindre varmelekkasje fra det lagrede vann til omgivelsene.

Fig. 13b viser et mulig skjema for gjenvinning av energi fra den lagrede komprimerte luft, og innbefatter en isotermisk ekspanderingsinnretning 501.

Den isotermiske ekspandersingsinnretning 501 innbefatter et øvre kammer 509 anordnet vertikalt over et nedre kammer 511, og et fast stempel 512 som fritt kan bevege seg vertikalt inn og ut av hvert kammer. Det øvre kammer har en innløpsåpning 521 for kjølig komprimert gass i toppen av kammeret, styrt av en ventil 525 og tilknyttet lagringsbeholderen 548 for komprimert gass. Det øvre kammer har også en innsprøytings-åpning 537 for en væskedusj tilknyttet en vannlagerbeholder 544 via en væskedusj-innsprøytingspumpe 543. En gassutløps-åpning 513 styrt av en ventil 517 er anordnet i veggen i det øvre kammer i en viss avstand fra toppen og tilknyttet en fuktighetsseparator 547.

Det nedre kammer 511 har en gassinnløpsåpning 518 styrt av en ventil 519 for innslipping av luft i kammeret, og en utløpsåpning 527 for komprimert gass og styrt av en ventil 529 og tilknyttet innløpet til en luftturbin 531. Gass-innløps- og -utløpsåpningene 517 og 527 er plassert i kammerveggene i en viss avstand over bunnen i det nedre kammer. Luftturbinen 531 er anordnet for drift av en generator 533.

En typisk driftssyklus for energigjenvinningsanlegget i fig. 13b er som følger, med utgangspunkt i at stempelet 512 befinner seg i sin maksimale øvre stilling i det øvre kammer 509. På dette tidspunkt inneholder det nedre kammer 511 et friskt luftvolum som skal komprimeres, og både innløps- og utløpsventilene 519,529 er lukket.

Når stempelet stopper ved toppen av sin slaglengde vil innløpsventilen 525 for komprimert gass åpne seg for å slippe inn en ny ladning av kjølig komprimert luft fra komprimertluft-lagerbeholderen 548 inn i det øvre kammer 509 gjennom gassinnløpsåpningen 521. Den komprimerte luft ekspanderer og presser stempelet nedover. Samtidig sprøytes varmt vann fra vannlagerbeholderen 544 inn i det øvre kammer i form av en dusj. Væskedusjen overfører varme til den komprimerte luft under dens ekspandering for derved å hindre en luftavkjøling, slik at således ekspansjonen kan sies å være tilnærmet isotermisk.

Når stempelet beveger seg inn i det nedre kammer vil luften der komprimeres adiabatisk. Når lufttrykket når den ønskede verdi vil gassutløpsventilen 529 åpne og varm komprimert luft vil gå ut av det nedre kammer og ekspandere i luftturbinen 531. Når stempelet 512 går forbi gassinnløps- og -utløps-åpningene 518, 527 vil den i kammeret under gassinnløp og utløp fangede restluft komprimeres adiabatisk og tjene som et midlertidig lager for den gjenværende energi i stempelet, for retur av stempelet til toppen av dets slaglengde i det øvre kammer.

Stempelet vil stoppe over bunnen i det nedre kammer og så gå oppover igjen etter som den innfangede varme komprimerte luft ekspanderer. Når stempelet snur vil gassutløpsventilen 517 i det øvre kammer åpne og den ekspanderte luft vil sammen med sprøytevæsken støtes ut fra kammeret gjennom fuktighetsseparatoren 547. Sprøytevæsken skilles fra luften og returneres til vannlagerbeholderen 544. Luft fra fuktighetsseparatoren går ut i atmosfæren. Når stempelet beveger seg oppover forbi luftinnløpsåpningen 518 i det nedre kammer vil luftinnløpsventilen 519 åpne og en ny luftladning vil trekkes inn i kammeret for komprimering i den neste syklus. Stempelets oppadgående bevegelse stoppes av den rest-luftlomme som er innfanget i det øvre kammer som følge av at stempelet passerer gassutløpsåpningen 513. Til slutt vil stempelet nå toppen av sin slaglengde i det øvre kammer, for fullstendig-gjøring av syklusen.

Selv om såvel fig. 13a som 13b viser en enkelt vannlagerbeholder vil en optimal lagringsmetode være å benytte en eller flere isolerte lagerbeholdere som inneholder kaldt vann som har gått gjennom den isotermiske ekspanderingsinnretning, og en eller flere isolerte lagerbeholdere for varmt vann som har gått gjennom den isotermiske kompressor. I den neste lagrings- og gjenvinningssyklus kan det kalde vann benyttes for isotermisk komprimering, mens det varme vann vil kunne benyttes for isotermisk ekspansjon.

Den energi-lagrings- og gjenvinningsprosess som er vist i fig. 13a og 13b og beskrevet ovenfor, krever intet brennstoff eller noen ekstern varmekilde under energigjenvinningspro-sessen. Den isotermiske kompressor og den isotermiske ekspanderingsinnretning kan være en og samme enhet modifisert som nødvendig i samsvar med funksjonen (enten som kompressor eller ekspanderingsinnretning), eller det kan benyttes to separate enheter, en særskilt for komprimering av gass isotermisk for energilagring og den andre for ekspandering av gass isotermisk for energigjenvinning. Selv om isotermisk ekspansjon for energigjenvinning krever tilførsel av varme for å hindre kjøling av luften under dens ekspandering vil denne varme kunne tilveiebringes av et vannforråd under omgivelsestemperatur. Har man tilgjengelig en varmekilde med temperatur høyere enn omgivelsestemperaturen (eksempelvis fra en industriell prosess eller fra et kjølesystem i en eksisterende kraftstasjon) så vil det kunne være mulig å returnere mer elektrisk energi enn den som opprinnelig ble lagret.

En alternativ mulighet for energilagring er å benytte en syklus lik den som er beskrevet foran og vist i fig. 9-11, men med mulighet for kunne lagre den kalde komprimerte luft. Når behovet for energi er lavt kan overskytende energi benyttes for trykksetting av hulrommet. Når etterspørselen er høy kan kjølig luft trekkes fra hulrommet og maksimal energi leveres til forbrukeren.

En mulig energi lagring/gjenvinningsprosess hvor det benyttes et anlegg som er beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 9, er vist i fig. 14. Komponentene i gassturbinanlegget i fig. 14 er nøyaktig de samme som i fig. 9 og like komponenter er gitt de samme henvisningstall. To alternative energi lagrings-muligheter er vist i fig. 14, nemlig en som innbefatter lagring av termisk energi som is og en annen som innbefatter lagring av energi i form av kald komprimert luft, som beskrevet foran. I sistnevnte tilfelle er utløpet fra den isotermiske kompressor tilknyttet et større hulrom hvor komprimert luft kan lagres. Når etterspørselen etter energi er liten, produseres mer isotermisk luft enn nødvendig for å drive gassturbinanlegget, og denne luft lagres. Når etter-spørselen etter energi er høy, reduseres mengden av isotermisk luft som produsert av anlegget og luft tas da fra lagerhulrommet. Fordelen med et isotermisk kompressor-energi-lagringssystem i forhold til konvensjonelle komprimert luf t-lager systemer er at luften komprimeres ved samme temperatur som den lagres, slik at energi ikke konsumeres for produksjon av overskytende varme som ellers ville gå tapt.

Det andre energi lagringssystem i fig. 14 innbefatter et kjølesystem 213 tilknyttet en lagerbeholder for lagring av is/vann. Vannet fra lagerbeholderen 215 kan tilføres den isotermiske kompressor 203 for bruk i sprøytedusjen under komprimeringen. Is/vann-lagringssystemet er en attraktiv mulighet når det foreligger større forskjeller mellom temperaturer dag og natt. Typisk vil om natten, når omgivelsestemperaturen er lav, men energietterspørselen også vil være lav, anlegget kunne kjøres med full kapasitet, idet overskytende energi benyttes for å drive kjølesystemet 213 for frysing av vann og lagring av det som is. Det eksterne dusjvann-kjølesystem 217 utnyttes fullt ut i denne forbindelse. Om dagen, når energietterspørselen er er høy, kan sprøytevann-kjølesystemet 217 erstattes eller supplementeres med kjøling tilveiebragt av den smeltende is.

Det finnes forskjellige industrielle prosesser som innbefatter storskala-komprimering av gasser, herunder luft. Eksempler er nedkjøling og flytendegjøring av gasser. Disse prosesser benyttes ofte for separering og rensing av gasser. Kompresjonsprosessen er energiintensiv. Den isotermiske kompressor reduserer kraftforbruket og kan benyttes for kjøling og/eller flytendegjøring av et stort antall gasser.

Termisk drevne gasskompressorer

Forbrennings- dreven kompressor

Fig. 15 viser en utførelse av en termisk drevet gasskompressor som komponent i et energigenererende anlegg. I fig. 15 innbefatter kompressoren 700 en gasskompressor 701 drevet av varm komprimert gass og en forbrennings-kompressor 703 drevet av forbrent brensel. Den gassdrevne isotermiske kompressor 701 er meget lik den isotermiske kompressor som er beskrevet foran i forbindelse med fig. 5 og henvisningstall, øket med 700, refererer seg til like deler.

Forbrenningskompressoren 703 innbefatter et øvre rom 726 over et nedre rom 728. Hvert rom er sylindrisk symmetrisk. Diameteren i det øvre rom 726 er mindre enn i det nedre rom og rommene er i hovedsaken anordnet koaksialt. Et forbrenningskammer 730 er utformet i det øvre rom 726 og har en innløpsåpning 736 for varm komprimert gass styrt av en ventil 738, en brenselinnløpsåpning 744 og en utløpsgassåpning 740 styrt av en ventil 742. Innløpsåpningen 736 for varm komprimert gass er forbundet med utløpsåpningen for komprimert gass i den gassdrevne isotermiske kompressor 701 via en gass-luft-varmeveksler 770, hvor det foregår en forvarming av den kjølige komprimerte gass eller luft fra den isotermiske kompressor 701 med utløpsgass fra forbrenningskammeret 726.

Forbrenningskompressoren 703 innbefatter videre et adiabatisk kompresjonskammer 732 utformet i den øvre del av det nedre rom 728, hvilket kompresjonskammer 732 har en gassinnløps-åpning 746 styrt av en ventil 748 og en utløpsåpning 750 for komprimert gass styrt av en ventil 752 og tilknyttet en luftturbin 776 som driver en generator 782. Et adiabatisk kompresjon/ekspansjon- eller f jæringskammer 734 er utformet i den nedre del av det nedre rom 728. Forbrenningskompressoren har et massivt stempel 759 bestående av en øvre del 760 dimensjonert i tilpassing til diameteren i det øvre rom 726, og en nedre del 762 dimensjonert i samsvar med diameteren i det nedre rom 728.

Det adiabatiske f jæringskammer 734 innbefatter et avtettet volum av luft eller en annen gass som middel for omdanning av stempelets nedadrettede kinetiske energi til oppadrettet kinetisk energi for drift av stempelet i dets returslag.

En kjølemantel 748 er anordnet rundt forbrenningskammerveggene og også over den del av forbrenningskammeret hvor gassinnløps- og utløpsventi lene er plassert, for å muliggjøre en sirkulasjon av kjølefluidum for kjøling av forbrenningskammerets vegger. Hensiktsmessig vil en del av den kjølige komprimerte luft fra den isotermiske kompressor 701 benyttes som kjølefluidum og føres til kjølemantelen 758 etter at fuktighet er fjernet fra den komprimerte gass i fuktighetsseparatoren 749. Kjølemantelen 758 har en utløpsåpning 764 som er tilknyttet tilførselsledningen som forbinder utløpsåpningen 750 for komprimert gass i det adiabatiske kompresjonskammer 732 med luftturbinen 776. Således vil den kjølige komprimerte gass til kjølemantelen gjenvinne varme fra forbrenningskammerets vegger, og denne energi omdannes på en utnyttbar måte til mekanisk energi ved ekspandering av den varme komprimerte gass som forlater kjølemantelen. Denne ekspandering skjer i luftturbinen 776.

Den isotermiske gasskompressor 701 drives delvis av den varme komprimerte gass som produseres av forbrenningskompressoren 703 i det adiabatiske kompresjonskammer 732. Hensikten med gasskompressoren 701 er å tilveiebringe større mengder av kjølig komprimert luft eller andre oksydasjonsmidler ved en temperatur på eksempelvis 40°C. Kompressoren 701 produserer en betydelig større mengde komprimert luft enn sok nødvendig for å drive den. Kjølig komprimert luft fra den isotermiske kompressor 701 oppvarmes og benyttes for drift av forbrenningskompressoren 703. Hensikten med forbrenningskompressoren 703 er å produsere større mengder av varm komprimert luft som så kan benyttes for drift av en turbin i den hensikt å frembringe elektrisitet. Som nevnt benyttes en del av den varme komprimerte luft fra forbrenningskompressoren til å drive den isotermiske kompressor 701.

Utløpsåpningen 713 for kald komprimert luft fra den isotermiske kompressor 701 er forbundet med innløpsåpningen 736 for varm komprimert luft i forbrenningskompressoren 703 via fukt ighetsseparatoren 749 og en gass-luf t-varmeveksler 770. Utløpsgassåpningen 740 i forbrenningskompressoren er forbundet med gass-luft-varmeveksleren 770 slik at varme fra den varme utløpsgass fra forbrenningskammeret overføres til den kjølige komprimerte luft fra den isotermiske kompressor 701. Utløpsåpningen 750 for varm komprimert luft fra forbrenningskompressoren er forbundet med innløpsåpningen 721 for varm komprimert luft i den isotermiske kompressor 701.

En typisk driftssyklus for kompressoren i fig. 15 skal nå beskrives med utgangspunkt i en tilstand hvor stempelet 712 befinner seg på toppen av sin slaglengde i det isotermiske kompresjonskammer 709 i den isotermiske kompressor 701. Samtlige gassinnløps- og -utløpsventiler i det isotermiske kompresjonskammer er lukket.

Når stempelet 712 stopper vil innløpsventilen 725 for varm komprimert gass åpne for derved å slippe varm komprimert luft fra forbrenningskompressoren 703 inn i kammeret 709 via innløpsåpningen 721 for varm komprimert gass. Derved drives stempelet 712 nedover fra sin høyeste stilling og ut av kammeret 709. Når stempelet når en bestemt stilling vil innløpsventilen 725 for komprimert gass lukke og luften vil ekspandere adiabatisk og fortsette å drive stempelet nedover. Når trykket til luften i kammeret 709 synker til en bestemt verdi vil gassinnløpsventilen 733 åpne og ekstra luft under relativt lavt trykk (f.eks. atmosfæretrykk) vil da trekkes inn i kammeret 709 ved fortsatt bevegelse av stempelet 712 ut av kammeret 709. På dette trinn vil stempelet 712 fortsette sin nedadrettede bevegelse som følge av sin store treghet.

Når stempelet beveger seg nedover vil det komprimere gassen i det adiabatiske f jaer ingskammer 711. Denne komprimering skjer adiabatisk. Til slutt vil stempelets totale kinetiske energi være overført til energi i gassen i kammeret 711 og stempelet 712 vil stoppe. På dette punkt vil gassinnløpsventilen 733 i det isotermiske kompresjonskammer lukke.

Stempelets bevegelsesretning snus nå, idet gassen i kammeret 711 begynner å ekspandere og drive stempelet oppover. Stempelet 712 drives tilbake til det isotermiske kompresjonskammer og vil komprimere luften der. Denne luftmengde er en mengde av kjølig ekspandert luft som tidligere er innført gjennom åpningene 721 fra forbrenningskompressoren 703 samt en tilleggsmengde av luft under relativt lavt trykk innført gjennom åpningen 729. Den begynnende komprimering vil være adiabatisk, men når luften når temperaturen til den tilgjengelige sprøytevæske, vil væsken sprøytes inn i kompresjonskammeret 709 gjennom innsprøytningsåpningen 737. Diameteren til de små dråper som danner væskedusjen vil typisk ligge på rundt 0,4 mm, hvilket vil gi et stort varmeoverføringsareal, slik at temperaturen til luften holdes under rundt 40°C. Uten innsprøytingen ville temperaturen gå opp i over 300°C.

Når lufttrykket i kompresjonskammeret 709 når den ønskede verdi vil utløpsventilen 717 for komprimert gass åpne og kjølig komprimert luft sammen med sprøytevæsken vil trekkes fra kammeret gjennom gassutløpsåpningen 713. Blandingen av kjøling komprimert luft og sprøytevæske går til fuktighetsseparatoren 749 hvor sprøytevæsken utskilles og returneres via returledningen 753 til kjølesystemet 745, hvor væske kjøles før den benyttes om igjen som sprøytedusj.

Før stempelet 712 når toppen av sin slaglengde kan utløps-ventilen 717 for komprimert gass lukke og den resterende kinetiske energi i stempelet kan delvist absorberes ved komprimering av restgassen ved toppen av kammeret 709. Når stempelet 712 stopper i kammeret 709 åpner innløpsventilen 725 for varm komprimert gass og en ny ladning av varm komprimert luft fra forbrenningskompressoren 703 slippes inn i kammeret 709 gjennom innløpsåpningen 721 for varm komprimert gass. Stempelet drives så nedover under påvirkning av den ekspanderende komprimerte luft og syklusen gjentas.

Den kjølige komprimerte gass fra kompresjonskammeret 709 i den isotermiske kompressor 701 vil etter at den har gått igjennom fuktighetsseparatoren 749, gå til gass-luft-varmeveksleren 770 hvor den oppvarmes med varme fra utløpsgasser fra forbrenningskompressoren og temperaturen stiger fra f.eks. 40° C til 850°C eller mer. Denne temperatur bestemmes av de materielle begrensninger for varmeveksleren 770 og ledningsnettet fra varmeveksleren til forbrenningskompressoren .

Når stempelet 759 stopper på toppen av sin slaglengde i forbrenningskammeret 730 i forbrenningskompressoren 703 vil innløpsventilen 738 for varm komprimert gass åpne og en bestemt mengde av forvarmet luft fra varmeveksleren 770 vil gå inn i kammeret 730 gjennom innløpsåpningen 736 for varm komprimert gass. Luftinnløpsventilen 738 vil så lukke og en bestemt mengde brennstoff sprøytes inn i kammeret 730 gjennom brennstoffinnsprøytningsåpningen 744. Brennstoffet tenner og det skjer en forbrenning hvorunder stempelet 759 drives nedover og ut av forbrenningskammeret 730, hvorved stempelet påtrykkes kinetisk energi. Brennstoff tilføres på en slik måte at gasstrykket forblir tilnærmet konstant under brennstoffinnspøytingen. Når den ønskede mengde brennstoff er sprøytet inn, stopper brennstoffinnsprøytingen og forbrenningsgassene ekspanderer tilnærmet adiabatisk fra rundt 20 eller bar og ned til nær atmosfæretrykket.

Under forbrenningsfasen med konstant trykk sprøytes kjølig komprimert luft inn i kjølemantelen 758 rundt forbrenningskammeret 730 for å kjøle forbrenningskammerveggene.

Når stempelet 759 beveges ned fra sin høyeste stilling vil atmosfæreluft trekkes inn i det adiabatiske kompresjonskammer 732 gjennom gassinnløpsåpningen 746. Samtidig vil stempelet beveges seg inn i det adiabatiske fjæringskammer 734 og begynne å komprimere den avtettede gassmengde. Etter at innløpsventilen 738 for komprimert gass er lukket og brennstoffinnsprøytingen i forbrenningskammeret har stoppet vil forbrenningsgassene ekspandere adiabatisk og fortsette å påtrykke stempelet 712 kinetisk energi. Denne energi absorberes av gassen i det adiabatiske fjæringskammer 734 og til slutt vil stempelet stoppe. På dette tidspunkt lukker gassinnløpsventilen 748 i det adiabatiske kompresjonskammer 732. Gassen i det adiabatiske fjæringskammer 734 vil så begynne å ekspandere adiabatisk og drive stempelet oppover inn i såvel det adiabatiske kompresjonskammer 732 som forbrenningskammeret 730. Når stempelet beveger seg inn i forbrenningskammeret 730 vil den varme forbrenningsgass støtes ut fra forbrenningskammeret gjennom utløpsgass-utløpsåpningen 740. Når stempelet beveger seg oppover og inn i kompresjonskammeret 732 vil det komprimere den luft som tidligere er trukket inn i kammeret. Denne komprimering skjer adiabatisk slik at kompresjonsvarmen vil øke temperaturen til luften under denne prosess, eksempelvis til over 300°C. Når luften i det adiabatiske kompresjonskammer 732 når det ønskede trykk, eksempelvis drifts-luftinnløpstrykket til luftturbinen, eksempelvis mellom 20 og 30 bar, vil utløps-ventilen 752 for varm komprimert gass åpne og den varme komprimerte gass vil forlate kompresjonskammeret 732 via gassutløpsporten 750. Stempelet 759 fortsetter til toppen av slaglengde, hvoretter utløpsventilen 752 for varm komprimert gass lukker.

Mesteparten av den varme komprimerte luft benyttes for å drive hovedluftturbinen 776, men en del av den komprimerte luft benyttes for drift av den isotermiske kompressor 701.

Fordi det er mer varme tilgjengelig i utløpsgassen fra forbrenningskompressoren 703 enn den som trengs for oppvarming av den den isotermiske komprimerte luft for drift av forbrenningskompressoren, benyttes overskuddsvarme for oppvarming av ekstra luft fra den isotermiske kompressor. Denne forvarmede komprimerte luft, som har en temperatur på rundt 850° C eller mer, går direkte til luftturbinen 776 hvor den ekspanderer for derved å produsere ekstra kraft.

For å maksimalisere energigjenvinningen fra de varme utløpsgasser bør den termisk drevne kompressor utføres slik at temperaturen og trykket til den komprimerte luft som forlater gass-luft-varmeveksleren 770 være tilpasset eller nesten være tilpasset temperaturen og trykket til den komprimerte luft fra det adiabatiske kompresjonskammer 732. Dette vil være mulig ved å utføre kompressoren med et høyt kompresjonsforhold (eksempelvis mellom 25 og 40). Det optimale kompresjonsforhold bestemmes av forholdet mellom den absolutte forbrenningstemperatur og den absolutte temperatur til utløpsgassene, idet de forlater forbrenningskammeret. I dette tilfelle vil det være hensiktsmessig å trekke ut all overskuddsvarme i en enkelt ekspansjon ved enkelt å pusse overskuddsluften fra gass-luft-varmeveksleren til luft-innstrømningen i turbinen. Ved på denne måten å gjenvinne overskuddsvarme unngår man fordelaktig behovet for en separat liten luftturbin og tilhørende generator, og dette vil redusere anlegges kapitalkostnader. Varmen i utløpsgassen som ikke kreves for forvarme av den kjølige komprimerte gass nødvendig for forbrenningen vil vanligvis utgjøre en liten brøkdel (i størrelsesordenen 12%) av den totalt tilgjengelige varme i utløpsgassen. For imidlertid å kunne maksimalisere virkningsgraden til kraftanlegget er det viktig å kunne gjenvinne all overskuddsvarme fra en hvilken som helst prosess. Man vil forstå at overskudd av utløpsvarme fra forbrenningskammeret kan gjenvinnes på mange måter, og at den egnede metode vil være avhengig av konstruksjonsparametre (såsom gasskompresjonsforhold, luftinnløpstemperatur i forbrenningskammeret og forbrenningstemperaturen) for den spesielle kompressor. I noen anvendelsestilfeller vil det eksempelvis være gunstig å ha mer enn en hjelpe-luft eller gassturbin og tilhørende varmevekslere og kraftgeneratorer.

For start av kompressoren 700 kreves det eksterne midler for tilveiebringelse av den initielle energi for å starte stempelbevegelsene. Dette kan skje ved hjelp av en relativ liten aksial kompressor som produserer varm komprimert luft for start av den isotermiske kompressor. Så snart den isotermiske kompressor produserer kjølig komprimert luft kan denne benyttes for start av forbrenningskompressoren.

Selv om driften av den isotermiske kompressor er avhengig av forbrenningskompressoren og omvendt, vil den relative fase mellom driftssyklusene til den isotermiske kompressor og forbrenningskompressoren være helt valgfri. Driftsfrekvensen til den isotermiske kompressor kan også adskille seg fra driftsfrekvensen til forbrenningskompressoren. Stort sett vil det foreligge et endelig tidsintervall mellom leveringen av kjølig komprimert luft fra den isotermiske kompressor og innsprøytingen av forvarmet komprimert luft i forbrenningskompressoren. Likeledes vil det forefinnes et bestemt tidsintervall mellom leveringen av varm komprimert luft fra forbrenningskompressoren og innsprøyting av varm komprimert, luft i den isotermiske kompressor. Systemet vil derfor ha en endelig tidskonstant som kan variere i avhengighet av de enkelte komponenters egenskaper, eksempelvis lengden av rørledninger som benyttes for føring av komprimert gass mellom kompressorene. Utføringen av den isotermiske kompressor kan endres til å svare til en hvilken som helst av de utførelsesformer som er beskrevet foran i forbindelse med fig. 1-4 eller 6, eller modifikasjoner derav.

Videre kan forbrenningskompressoren også ha en utførelse lik den for hvilken som helst av de isotermiske kompressorer som beskrevet her, med tilhørende modifikasjoner. Eksempelvis kan forbrenningskompressoren innbefatte et kompositt-fast/væskestempel anordnet i en U-formet ledning, lik den utførelse som er beskrevet foran i forbindelse med fig. 2, og driften av den anvendte forbrenningskompressor kan være symmetrisk, slik at den produserer varm komprimert luft to ganger pr. syklus.

Forbrenningsdrevet kompressor

Faststempel - asymmetrisk

I en annen utførelsesform av den termisk drevne kompressor kan såvel den adiabatiske som den isotermiske kompresjonsprosesss drives direkte ved forbrenning av brennstoff via et enkelt massivt stempel.

Et kammer på en side av stempelet kan tjene som et forbrenningskammer hvor en blanding av brennstoff og luft eller et annet oksydasjonsmiddel tennes for produksjon av høy-temperatur-forbrenningsgass for påtrykking av kinetisk energi til stempelet. Et kammer på den andre siden av stempelet inneholder gass som skal komprimeres, hvilken gass etterpå kan benyttes for drift av en turbin. Fordi forbrenningsgassen vanligvis vil ha en meget høyere temperatur enn gassen fra en roterende kompressor, vil meget mer energi kunne leveres til stempelet, forutsatt at gassen tillates å ekspandere fullt ut, slik at det fremkommer en større gassmengde for komprimering i kompresjonskammeret. Luften eller et annet oksydasjonsmiddel som benyttes for forbrenningen av selve brennstoffet kan komprimeres i en del av kompresjonskammeret. Luft/oksydasjonsmiddel kan kjøles under komprimeringen ved hjelp av en væskedusj, for derved å minimalisere kompresjons-arbeidet. Fordelaktig kan en varmeveksler anordnes for forvarming av i det minste en del av den kjølige komprimerte gass med varm utløpsgass fra forbrenningskammeret, og en del av denne forvarmede gass kan tilføres forbrenningskammeret for forbrenning med et egnet brennstoff.

En del av gassen i kompresjonskammeret kan komprimeres adiabatisk og føres direkte for drift av en gassturbin. Den komprimerte gass kan f.eks. være luft for drift av en luftturbin, som arbeider under en relativ lav temperatur og hvis utløpsgass ligger nært opptil den omgivende atmosfæretemperatur. Kombinasjonen av en gasskompressor drevet av forbrenningsgass under ekstremt høy temperatur, slik at den termiske energi kan omdannes til kompresjonsenergi for et stort volum av komprimert luft, og en luftturbin som drives av den komprimerte luft som gir varme ved relativt lave temperaturer, kan ses på som en varmemaskin hvis drift tilnærmet vil være lik en ideell Carnot-syklus, som har en virkningsgrad n som angitt av uttrykket

n = i - t1/t2

hvor t^ er temperaturen hvormed varmen avgis og t2 er temperaturen hvormed varmen absorberes.

Stempelet kan være anordnet til å bevege seg opp og ned eller alternativt frem og tilbake i et horisontalplan. En utførelse hvor et massivt stempel er anordnet for oscillering vertikalt opp og ned mellom hosliggende øvre kompresjonskammere og et nedre f orbrenningskammer, er vist i fig. 16 som en komponent i et elektrisitets-anlegg.

I fig. 16 innbefatter den termisk drevne kompressor 500 et isotermisk kompresjonskammer 503 og et hosliggende adiabatisk kompresjonskammer 505, begge anordnet over et forbrenningskammer 507. Kompres j onskammerne 503,505 er adskilt med en vertikal skjerm 509 som strekker seg ned fra toppen av hvert kammer. Et stempel 511 innbefattende et fast materiale har en spalte 510 utformet i fra toppen 512 av stempelet 511 og nedover, for opptak av den vertikale skjerm 509, slik at stempelet fritt kan bevege seg opp og ned, inn og ut av de isotermiske og adiabatiske kompresjonskammere 503,505.

Forbrenningskammeret 507 har en innløpsåpning 513 for varm komprimert luft styrt av en innløpsventil 515 for varm komprimert luft, for innsprøyting av varm komprimert luft i kammeret, en brennstoff-innsprøytingsåpning 517 og en utløpsgassåpning 519 styrt av en utløpsventil 521 for utslipping av varm utløpsgass fra kammeret 507. Forbrenningskammeret er omgitt av en kjølemantel 523 hvorigjennom kjøleluft kan sirkulere for kjøling av forbrenningskammerveggene 525. Hvert av de isotermiske og adiabatiske kompresjonskammere 503,505 har en innløpsåpning 527,529 for luft, styrt av en ventil 531,533 for å tillate at luft kan trekkes inn i hvert kammer, samt en utløpsåpning 535,537 for komprimert luft, styrt av en utløpsventil 539,541, for derved å tillate at komprimert luft kan trekkes ut fra hvert kammer. Det isotermiske kompresjonskammer 503 har også en innsprøyt-ingsåpning 543 for innsprøyting av en kjølig væskedusj. Dusjen sprøytes inn ved hjelp av en pumpe 545, som trekker dusjvæske fra et kjølesystem 547.

Utløpsåpningen 535 for komprimert luft i det isotermiske kompresjonskammer 503 er forbundet med en fuktighetsseparator 549 hvor sprøytevæske som er fanget opp i den komprimerte luft separeres ut. Utløpsåpningen 537 for komprimert luft i det adiabatiske kompresjonskammer 505 er tilknyttet innløpet til en hovedluftturbin 551, som sammen med en andre luftturbin 553 driver en strømgenerator 555.

Kjølig komprimert luft fra fuktighetsseparatoren 549 styres i tre retninger. En del av luften går til gass-luft-varmeveksleren 557 hvor den oppvarmes med varme fra utløpsgassene fra forbrenningskammeret 507. En del av den kjølige komprimerte luft fra fuktighetsseparatoren 549 går til kjølemantel-en 523 for forbrenningskammeret 507 for å kjøle forbrenningskammerveggene 525. Nok en del av den kjølige komprimerte luft fra fuktighetsseparatoren går til en luft-luft-varmeveksler 559 hvor den forvarmes med utløpsluft fra den andre luftturbin 553, for så å gå til innløpet til hovedluftturbinen 551 sammen med hovedstrømningen av varm komprimert luft fra det adiabatiske kompresjonskammer 505.

En typisk driftssyklus for kompressoren 500 skal nå beskrives, med utgangspunkt i at stempelet 511 nettopp har stoppet like over bunnen 508 i forbrenningskammeret 507 og hviler på en pute av komprimert luft i forbrenningskammeret. Hvert av de adiabatiske og isotermiske kompresjonskammere 503,505 inneholder luft som er trukket inn gjennom de respektive gassinnløpsåpninger 529,527 under den tidligere den av syklusen, og deres respektive gassinnløpsventiler 533,535 og gassutløpsventiler 539,541 er nå lukket.

Etter at stempelet har stoppet i forbrenningskammeret 507 vil dets bevegelse reverseres etter som innfanget luft begynner å ekspandere adiabatisk. Samtidig vil innløpsventilen 515 for varm komprimert gass åpne og en ladning av varm komprimert luft vil innføres i kammeret gjennom innløpsåpningen 513 for komprimert gass. Brennstoff sprøytes inn i kammeret gjennom innsprøytingsåpningen 517 og blander seg med den varme innløpsluft med tenning av forbrenningsgass ved temperaturer over 2000°C. Forbrenningsgassen ekspanderer så under konstant trykk og driver herunder stempelet oppover og ut av forbrenningskammeret .

Er brennstoffet naturgass så vil det tennes spontant dersom lufttemperaturen ligger over ca. 550°C. Ekstern tenning kreves dersom luften oppvarmes til en lavere temperatur, eksempelvis ved en start. Noen brennstoffer kan kreve tenning i hver syklus selv om lufttemperaturen er meget høy. Brensel-innsprøytingen styres slik at trykket i forbrenningskammeret 507 holder seg tilnærmet konstant. Fordelen med dette er at topptrykkene i beholderen da vil være temmelig moderate. Man unngår derved behovet for meget tykke trykkbeholdervegger og man begrenser også støy og vibrasjon under driften. Til gjengjeld får man en liten reduksjon i virkningsgraden.

Trykket i forbrenningskammeret holder seg tilnærmet konstant under forbrenningstrinnet. Samtidig vil stempelet 511 begynne å komprimere luften i de isotermiske og adiabatiske kompresjonskammere 503,505. Under komprimeringen av luften i det isotermiske kompresjonskammer sprøytes en væskedusj inn i kammeret for å kjøle gassen og absorbere kompresjonsvarmen. Innsprøytingen av væskedusjen i kammeret kan begynne når temperaturen til luften i kompresjonskammeret når temperaturen til sprøytevæsken. Sprøytevæsken kan sprøytes inn med konstant mengdehastighet. På et visst punkt under stempelets 511 bevegelse oppover vil innløpsventilen 515 for komprimert luft i forbrenningskammeret lukke og brennstoffinnsprøytingen stopper. Dette kan skje når en bestemt brennstoffmengde er innsprøytet. Deretter vil forbrenningsgassen ekspandere adiabatisk ned til eksempelvis atmosfæretrykk. Ekspansjonen av forbrenningsgassen virker på stempelet 511 som således får kinetisk og potensiell energi og fortsetter sin bevegelse til toppen av slaglengden i hvert av kompresjonskammerne 503,505.

Når trykket til den komprimerte luft i det adiabatiske kompresjonskammer 505 når den ønskede verdi vil utløps-ventilen 541 for komprimert gass åpne og varm komprimert gass vil strømme ut av kammeret gjennom utløpsåpningen 537. Den varme komprimerte gass føres direkte til innløpet i hovedluftturbinen 551 hvor den vil ekspandere og gi mekanisk energi for drift av generatoren 555. Fortrinnsvis tilpasses innløpstemperaturen i hovedluftturbinen til utløpstemperatur-en for adiabatisk komprimert luft fra kompressoren. Temperaturen til utløpsluften fra hovedluftturbinen ligger tett opp til den omgivende atmosfæretemperatur.

Når lufttrykket i det isotermiske kompresjonskammer 503 når den ønskede verdi vil utløpsventilen 539 for komprimert gass åpne og kjølig komprimert luft vil sammen med sprøytevæsken trekkes ut av kammeret gjennom utløpsåpningen 535 for komprimert gass og gå inn i fuktighetsseparatoren 549, hvor sprøytevæsken separeres fra den komprimerte luft. Sprøyte-væsken fra fuktighetsseparatoren sirkulerer så gjennom kjølesystemet 547 før den benyttes igjen i dusjen.

En del av den kjølige komprimerte luft går fra fuktighetsseparatoren 549 til gass-luf t-varmeveksleren 557 hvor den forvarmes med varme fra utløpsgassen fra forbrenningskammeret under en tidligere del av syklusen. Noe av den forvarmede komprimerte luft fra gass-luft-varmeveksleren 557 føres til forbrenningskammeret 507 og noe føres til innløpet i den andre luftturbin 553, hvor den ekspanderer og tilveiebringer mekanisk energi for drift av generatoren 555.

Noe av den kjølige komprimerte luft fra fuktighetsseparatoren 549 går igjennom luft-luft-varmeveksleren 559, hvor den varmes opp med utløpsluft fra den andre luftturbin 553. Denne forvarmede komprimerte luft går så til hovedluf tturbinen 551 som supplement for hovedstrømningen av varm komprimert luft fra det adiabatiske kompresjonskammer 505.

Kjølig komprimert luft fra fuktighetsseparatoren 549 føres også til kjølemantelen 523 rundt forbrenningskammeret, for å kjøle forbrenningskammerveggene. Noe av denne kjøleluft kan også benyttes for kjøling av stempelhodet 514 i forbrenningskammeret. Dette kan oppnås ved at det tilveiebringes et antall hull 1 forbrenningskammerveggene hvorigjennom luft kan strømme fra kjølemantelen 523. Hull eller spalter utformes 1 stempelsiden 1 samsvar med plasseringen av hullene i kammerveggene. Innsiden av stempelet utformes for å tillate at luft kan strømme fra spaltene eller hullene og til stempelhodet for å kjøle dette. Alternativt kan det i stempelet utformes passasjer som muliggjør en direkte, men begrenset strøm av luft fra et eller begge kompresjonskammere til stempelhodet 514.

Kjøleluften kan gå fra kjølemantelen 523 og inn i forbrenningskammeret gjennom hull i forbrenningskammerveggene. Luften sirkulerer også gjennom luftpassasjer utformet i bunnen 508 i forbrenningskammeret 507 for å kjøle bunnen, ventilene og ventilsetet. Alternativt kan utstyret utføres slik at kjøleluften ikke går inn i forbrenningskammeret, men tilsettes den luft som går til hovedluf tturbinen. Dette muliggjør en mer effektiv gjenvinning av den varme som er avgitt til kjøleluften.

Når stempelet 511 har nådd toppen av sin slaglengde vil utløpsventilene 539,541 for komprimert gass i hvert av kompres j onskammerne 503,505 lukke, slik at noen av den komprimerte luft forblir i hvert kammer. Stempelet 511 reverserer sin retning under påvirkning av tyngdekraften og som følge av ekspanderingen av den innfangede komprimerte luft og vil begynne å bevege seg ut av kompresjonskammerne og inn i forbrenningskammeret 507. Når trykket i kompresjonskammerne når trykket til innløpsluften vil de respektive gassinnløpsventiler 527,533 åpne og luft trekkes inn i kammerne gjennom en respektiv gassinnløpsåpning 535,537.

Når trykket til forbrenningsgassen i forbrenningskammeret når en verdi tilstrekkelig til å skyve gassene gjennom gass-luft-varmeveksleren 557 og deretter ut i atmosfæren, vil utløps-ventilen 521 åpne. Utløpsgassene støtes da ut fra forbrenningskammeret gjennom utløpsåpningen 519 for utløpsgass. Lavtrykk-kjøleluft kan sirkuleres rundt f orbrenningskammer-mantelen og innføres i forbrenningskammeret under denne del av syklusen. Luft sluppet inn i forbrenningskammeret vil tjene til å fortrenge og spyle ut resterende utløpsgass. Lavtrykk-kjøleluften kan tilveiebringes av vifter som trekker luft direkte fra atmofæren.

Før stempelet 511 når bunnen i forbrenningskammeret 508 og før all kjøleluft er presset ut av forbrenningskammeret 507 vil utløpsventilen 521 lukke. De resterende luft- og utløpsgasser komprimeres adiabatisk, bremser stempelet og bringer det til slutt til stopp like over bunnen i forbrenningskammeret. Tidsstyringen av lukkingen av utløps-ventilen 521 er slik at trykket i forbrenningskammeret på det tidspunkt hvor stempelet snur vil være tilnærmet lik trykket til den varme komprimerte luft som leveres fra varmeveksleren ved begynnelsen av forbrenningstrinnet.

Når stempelet stopper i forbrenningskammeret vil gassinnløps-ventilene 527,529 i kompresjonskammerne 503,505 lukke. Innløpsventilen 515 for varm komprimert gass i forbrenningskammeret vil åpne og en bestemt mengde av varm komprimert luft fra gass-luf t-varmeveksleren 557 vil gå inn i forbrenningskammeret. Brennstoff sprøytes inn i kammeret gjennom brennstoffinnsprøytingsåpningen 517. Brennstoffet tenner og den resulterende forbrenning av blandingen av brennstoff og varm komprimert luft vil drive stempelet 511 oppover, for start av den neste syklus.

I fig. 16 er det en ekstra luftturbin 553 og en luft-luft-varmeveksler 559 for maksimalisering av varmegjenvinningen fra de varme gasser som kommer fra forbrenningskammeret 507. Vanligvis vil det være mer varme i utløpsgassene enn den som er nødvendig for varming av den inngående komprimerte forbrenningsluft. Overskuddsvarmen benyttes for oppvarming av mer komprimert luft som avdeles til en andre mindre luftturbin 553, som arbeider med en høyrere innløpstemperatur enn hovedluftturbinen 551. Utløpsluften fra den andre luftturbin 553 er fremdeles varm nok for ekstra varmegjenvinning. Denne varme overføres i en liten varmeveksler 559 til en separat strøm av kjølig komprimert luft. Systemet kan utformes på en slik måte at den resulterende varme komprimerte luft vil ha en egnet temperatur og et egnet trykk for ekspansjonen i hovedluftturbinen, i hvilket tilfelle denne strømning kan plusses til hovedluftstrømmen av adiabatisk komprimert luft.

Det forefinnes flere typer fuktighetsseparatorer, og de fleste av disse har vært brukt i mange år innenfor den kraftfrembringende industri og ellers. Vanlige eksempler er syklonseparatorer, aksial-virvelseparatorer og korrugert plate-separatorer. Uavhengig av hva slags separatortype som benyttes er det vesentlig at trykktapet i separatoren er så lite som mulig, fordi trykktapet vil påvirke kompressorens virkningsgrad.

Varmevekslerne er en kritisk komponent i systemet på grunn av de høye temperaturene til utløpsgassene. I virkeligheten vil utløpstemperaturen være en av de kritiske parametre som bestemmer oppbyggingen av hele systemet. Det vil foreligge en trykkforskjell på minst 10 bar over veggene i varmevesksler-en. Dette betyr at en roterende regenerativ varmeveksler ikke vil være et egnet valg på grunn av de tetningsvanskeligheter man har ved en slik trykkforskjell. En ventil-regenerator kan benyttes, men det vil allikevel være en vesentlig strømnings-lekkasje fra høyt til lavt trykk som følge av de anvendte volumetriske kapasiteter. Det beste valg vil derfor sannsynligvis være en motstrøm-varmeveksler av den rekuperative type. For å holde kostnadene på et minimum er det mulig å ha forskjellige materialer i varmevekslerens høy- og lavtempera-turdeler.

Det vil være nødvendig med mulighet for periodisk rensing av varmevekslerflåtene. Slik rensing vil sannsynligvis gjennom-føres når systemet er avlastet, men man kan også tenke seg rengjøringssystemer som virker under drift.

I fig. 16 må gass-luft-varmeveksleren 557 ha kapasitet til enten å lagre varme fra de varme utløpsgasser eller til å lagre den komprimerte gass, fordi produksjonen av utløpsgass og komprimert gass ikke skjer samtidig, men er adskilt av et tidsintervall lik halvparten av perioden til en fullstendig syklus for væskestempelet.

Videre vil den termisk drevne kompressor i fig. 16, hvis energi trekkes ut ved adiabatisk komprimering av et stort volum av gass som skal ekspanderes gjennom en luftturbin, bare leverer komprimert luft i diskrete tidsintervaller, vanligvis noen få sekunder fra hverandre. Kraftturbinen krever imidlertid en tilnærmet kontinuerlig strøm av komprimert luft. Dette misforhold mellom tidsstyringen av den luft som går i de ulike baner i systemet kan man overvinne ved bruk av akkumulatorbeholdere (ikke vist) hvor luften kan lagres temporært. I større installasjoner kan man imidlertid unngå behovet for akkumulatorer ved å sørge for flere kompressorenheter (kanskje rundt 8 eller 12) som er sammen-koplet på en egnet måte. Lignende manifold-mulighet vil man ha når det gjelder gass-luft-varmeveksleren, selv om det i dette tilfelle vil kunne være fordelaktig å ha en liten gruppe av kompressorer (kanskje 4) tilknyttet en av hoved-gass-luft-varmevekslerne.

Bruk av manifoldsystemet som et alternativ til akkumulatorer medfører et behov for styrt fasedrift av kompressorenhetene. Dette kan man oppnå ved hjelp av mikroprosessorstyring av luft- og forbrenningsgassventilene.

Utførelsen av den termisk drevne kompressor i fig. 16 har et forbrenningskammer på en side av stempelet og både adiabatisk og isotermisk kompresjonskammer på den andre siden av stempelet. Forbrenning og etterfølgende ekspansjon av forbrenningsgassen vil gi kinetisk energi til stempelet, som så beveger seg inn i kompresjonskammerne for komprimering av gassen der. Etter at gassen er komprimert og tatt ut fra hvert av kompresjonskammerne vil stempelet snu sin bevegelse og bevege seg tilbake inn i forbrenningskammeret. Denne stempel-returbevegelse skjer under påvirkning av tyngdekraften og ekspansjonen til komprimert gass som er igjen i kompresjonskammerne. Stempelets tur- og returslag skyldes ulike mekanismer og gass komprimeres bare ved bevegelse av stempelet i en retning. Denne utførelse er derfor en asymmetrisk innretning.

Det er vesentlig at det nedadrettede returslag for stempelet skjer med en passe hastighet og dette oppnår man ved å sørge for at hele stempelmassen må bevege seg i retning av den gjenopprettingskraft som utøves av tyngdekraften over hele returslaget. Den maksimale gjenopprettingskraft som følge av tyngdekraften virker altså på stempelet under returbeveg-elsen, hvilket betyr en maksimal nedadrettet akselerasjon på ca. lg. Den nedadrettede akselerasjon kan økes ytterligere ved ekspansjon av restluft eller en annen gass i i det minste et av de adiabatiske og isotermiske kompresjonskammere.

Et viktig trekk ved den termisk drevne kompressor er at stempelet har nok masse til temporært å kunne lagre forbrenningsgass-ekspansjonsenergi som kinetisk eller potensiell stempelenergi. Et faststoff-stempel kan gis samme masse som et væskestempel i en meget mer kompakt utførelse. Videre vil friksjonen til stempelet være generelt mindre for et faststoffstempel enn for et væskestempel med en eller flere bøyer. Derfor kan akselerasjonen til stempelet i forbrenningsprosessen være større for et faststoffstempel enn for et væskestempel, selv om akselerasjonen vil være begrenset av varmeoverføringshastigheten mellom de små dråper i væskedusjen og gassen i det isotermiske kompresjonskammer.

Det er å forvente at duggpunktet til utløpsgassen vil nås ved den kalde enden av gass-luft-varmeveksleren og at dette fører til kondensering, enten i selve varmeveksleren eller i skorstensrøken. Skorstensrøken og, om nødvendig, kondensa-sjonen i varmeveksleren, kan man unngå ved å blande utløps-gassen med noe av den varme luft som kommer fra en av de to luftturbiner. Et kraftanlegg kan innbefatte et antall kompressorer som alle er anordnet for drift av et enkelt par luftturbiner. Kompressorene kan være anordnet for drift ute av fase i forhold til hverandre. Dette vil muliggjøre en kontinuerlig tilførsel av varm komprimert luft til turbinene og vil også lette driften av hver enkelt kompressor. Eksempelvis vil systemets endelige tidskonstant medføre at kjølig komprimert luft produsert i en kompressor kan utnyttes for drift av forbrenningsprosessen i en annen kompressor. Kjøleluft for kjøling av forbrenningskammerveggene under utløpsslaget i en kompressor kan tas fra det isotermiske kompresjonskammer i en annen kompressor. Anordningen av kompressorene slik at de drives ute av innbyrdes fase vil også kunne bidra til å redusere vibrasjon som skyldes akselerasjon og deselerasjon av de massive faststoffstempler.

I en annen utførelse av den termisk drevne kompressor med et enkelt faststoffstempel kan de adiabatiske og isotermiske kompresjonskammere være adskilt i en retning parallelt med bevegelsen av faststoffstempelet istedenfor på tvers av dets bevegelse, som vist i fig. 16. En utførelsesform med dette trekk er vist i fig. 17, som en komponent i et kraftanlegg.

I fig. 17 innbefatter den termisk drevne kompressor 600 i hovedsaken to rom som er anordnet vertikalt over hverandre. Et forbrenningskammer 603 er utformet i den øvre del av det øvre rom 601 og et adiabatisk kompresjonskammer 605 er utformet i den nedre del av det øvre rom 601. Et isotermisk kompresjonskammer 609 er utformet i den øvre del av det nedre rom 607, og i den nedre del av det nedre rom 607 er det utformet et adiabatisk kompresjon/ekspansjon-kammer 613. Forbrenningskammeret 603 har en innløpsåpning 623 for varm komprimert luft styrt av en ventil 625 for innslipping av varm komprimert luft i kammeret, en brennstoffinnsprøytnings-åpning 627 for innsprøyting av brennstoff i kammeret og en utløpsgassåpning 629 styrt av en ventil 631, for utstøting av utløpsgasser fra forbrenningskammeret 603. Innløpsåpningen 623 for komprimert luft og utløpsåpningen for utløpsgass er tilknyttet samme side av en gass-luft-varmeveksler 670.

Det adiabatiske kompresjonskammer 605 og det isotermiske kompresjonskammer 609 har hver en luftinnløpsåpning 633,635, styrt av en ventil 637,639 for inntrekking av luft i hvert av kammerne 605,609, og en utløpsåpning 641,643 for komprimert luft, styrt av en ventil 645,647 for uttak av komprimert luft fra hvert kammer.

Det isotermiske kompresjonskammer 609 har også et antall væskedusj-innsprøytingsåpninger 648 for innsprøyting av en væskedusj i kammeret. Sprøytedysene er fortrinnsvis anordnet slik at de gir en jevn dusj over hele ringvolumet. Utløps-åpningen 643 for komprimert luft i det isotermiske kompresjonskammer 609 er forbundet med en fuktighetsseparator 680 som separerer ut dusjvæske fra den komprimerte luft. Fuktighetsseparatoren 680 er forbundet med innsprøytings-åpningen 648 via et kjølesystem 682 og en innsprøytingspumpe 650. Kjølesystemet 682 kjøler sprøytevæsken fra fuktighetsseparatoren før væsken benyttes om igjen i dusjingen. Pumpen 650 gir kontinuerlig sirkulasjon av væske fra fuktighetsseparatoren 680 til det isotermiske kompresjonskammer. En beholder 684 som inneholder reserve-sprøytevæske, er anordnet for å erstatte eventuell væske som måtte gå tapt fra kretsen.

Utløpsåpningen 648 for komprimert luft i det adiabatiske kompresjonskammer 605 er forbundet med innløpet til en hovedluftturbin 672, som driver en generator 674. Varm komprimert luft fra kompressoren ekspanderer i turbinen 672 og gir mekanisk kraft for fremstilling av elektrisk strøm. En del av den kjølige komprimerte luft fra fuktighetsseparatoren går til en gass-luft-varmeveksler 670 hvor den forvarmes med varme fra utløpsgass fra forbrenningskammeret. Noe av den forvarmede luft går så til forbrenningskammeret 603 for bruk under forbrenningen.

Vanligvis vil det være mer varme tilgjengelig i utløpsgassen enn den som er nødvendig for forvarming av den kjølige komprimerte luft som kreves for forbrenningen. For gjenvinning av denne overskuddsvarme er kompressoren utført slik at den produserer et større kvanta komprimert luft en det som i virkeligheten kreves for drift av forbrenningen. En andel av denne ekstra komprimerte luft går gjennom gass-luft-varmeveksleren 670 for absorbering av overskuddsvarmen i utløpsgassen, og føres så til en andre luftturbin 676 hvor den ekspanderer for produksjon av utnyttbar mekanisk energi.

Temperaturen i utløpsluften fra den andre luftturbin 676 er betydelig høyere enn i den omgivende atmosfære, og varmen i utløpsluften kan gjenvinnes ved å overføre varmen til en andel av kjølig komprimert luft fra fuktighetsseparatoren 680, i en luft-luft-varmeveksler 678. Den forvarmede komprimerte luft går så til hovedluf tturbinen 672 hvor den ekspanderer sammen med den varme komprimerte luft fra det adiabatiske kompresjonskammer 605.

Det adiabatiske kompresjonskammer 613 inneholder en mengde av gass eksempelvis luft som, under kompressorens drift, vekselvist komprimeres og ekspanderer. Gassen virker som en fjær hvis hensikt er å omdanne stempelets kinetiske energi i en retning til kinetisk energi for stempelet i den motsatte retning. Gassen utgjør det middel hvormed stempelet returneres til toppen av sin slaglengde for komplettering av kompressorens driftssyklus. Dette kammer krever således ingen gassinnløps/utløpsåpninger styrt av ventiler som åpner og lukker ved vanlig kompressor-driftssyklus. Det kan imidlertid være nødvendig med midler for erstatting av gass som måtte lekke ut fra kammeret (slike midler er ikke vist).

Et stempel 615 av et fast materiale har øvre, midtre og nedre deler og kan fritt oscillere lineært og vertikalt. Stempelets 615 øvre del 617 er tilpasset diameteren i det øvre rom 601 og kan fritt bevege seg opp og ned mellom rommets vertikale ender, inn og ut av såvel forbrenningskammeret og det adiabatiske kompresjonskammer 603,605. Den nedre delen 619 til stempelet 615 er tilpasset diameteren i det nedre rom 607 og kan fritt bevege seg opp og ned mellom rommets vertikale ender, inn og ut av både det isotermiske kompresjonskammer 609 og det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer 613. Stempelets 615 øvre og nedre deler 617,619 er forbundne med hverandre og holdes i vetikal avstand ved hjelp av en midtre del 621 som innbefatter et skaft med en diameter mindre enn den for de øvre og nedre rom. Skaftet går gjennom en åpning 623 i skilleveggen 611 mellom øvre og nedre rom. En glide-tetning 612 er anordnet i åpningen 611 for avtetting av skaftet for derved å hindre at luft går gjennom åpningen 611 mellom det adiabatiske kompresjonskammer 605 og det isotermiske kompresjonskammer 609. Glidetetningen 612 er utformet slik at skaftet kan gli fritt i begge retninger gjennom åpningen 611. Mellom stempelet og veggene i kammeret er det tetninger 614,616 for å hindre gasslekkasje fra det ene kammer til det andre.

I denne utførelsesform vil, når stempelets 650 øvre del befinner seg i sitt høyeste nivå i forbrenningskammeret, det frie volum inne i det adiabatiske kompresjonskammer 605 og det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer 613 ha en maksimumverdi, mens det frie ringvolum i det isotermiske kompresjonskammer 609 har en minimal verdi. Omvendt, når stempelets 615 øvre del 617 er i sitt nederste nivå, vil der frie volum i såvel forbrennings- som det isotermiske kompresjonskammer 603,609 være maksimalt mens det frie volum i såvel det adiabatiske kompresjonskammer 605 som det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer 613 vil være på et minimum. I denne utførelsen vil derfor forbrenningsprosessen direkte drive den adiabatiske kompresjonsprosesss, induser-ingen av luft i det isotermiske kompresj onskammer og den adiabatiske kompresjon av gassen i det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer. Den adiabatiske ekspansjon av gassen i det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer 613 vil drive den isotermiske kompresjonsprosess, induksjonen av luft i det adiabatiske kompresjonskammer 605 og utstøtingen av utløps-gass fra forbrenningskammeret 603.

En typisk driftssyklus for kompressoren 600 i fig. 17 er som følger, idet man begynner med stempelet 615 på topp i forbrenningskammeret 603, idet det skal reversere sin retning. På dette punkt vil gassutløpsventilene 645,647 i hvert av kompresjonskammerne 605,609 være lukket. Det adiabatiske kompresjonskammer 605 inneholder luft som er trukket inn gjennom gassinnløpsåpningen 633 under en tidligere del av syklusen, og gassinnløpsventilen 637 er nå lukket. Stempelets 615 nedre del 619 er på sitt øverste nivå i det isotermiske kompresjonskammer 609, slik at således det frie volum i kompresjonskammeret vil være minimalt, og gassinnløpsventilen 639 er åpen, slik at luft kan trekkes inn i kammeret ved stempelets nedadrettede slagbevegelse. Stempelets 615 nedre del 619 er trukket ut fra det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer 613, slik at altså det frie volum der har sin maksimale verdi.

Når stempelet 615 stopper i forbrenningskammeret 603 og bytter retning vil innløpsventilen 625 for varm komprimert gass åpne og en bestemt mengde av varm komprimert luft føres inn i forbrenningskammeret. Brennstoff sprøytes inn i forbrenningskammeret gjennom brennstoffinnsprøytningsåpningen 26, og tenning resulterer i forbrenning av den blanding av varm komprimert luft og brennstoff som foreligger der. Forbrenningsgassen ekspanderer under konstant trykk og driver stempelet 615 ned og ut av forbrenningskammeret 603 og inn i det adiabatiske kompresjonskammer 605. Stempelets øvre del begynner å komprimere luften der. Samtidig vil stempelets 615 nedre del 619 bevege seg ut av det isotermiske kompresjonskammer 609 og inn i det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer 613. Når stempelet beveger seg nedover vil luft trekkes inn i det ekspanderende volum i det isotermiske kompresjonskammer 609 gjennom gassinnløpsåpningen 635. Samtidig vil stempelets nedre del komprimere gassen i det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer 613.

Når stempelet 615 når et visst nivå vil brennstoffinnsprøyt-ingen stoppe. Forbrenningsgassen fortsetter å ekspandere adiabatisk helt til stempelet 615 når bunnen av sin slaglengde .

Når trykket til luften i det adiabatiske kompresjonskammer 605 når den ønskede verdi vil utløpsventilen 645 for komprimert gass åpne og varm komprimert gass strømme ut av det adiabatiske kompresjonskammer 605, gjennom utløpsporten 641 for komprimert gass og til innløpet i hovedluftturbinen 672. Den varme komprimerte luft ekspanderer i turbinen og tilveiebringer mekanisk energi for drift av generatoren 674.

Ved fortsatt nedadrettet bevegelse vil stempelet 615 gradvis bremses da dets kinetiske energi overføres til kompresjonsenergi i gassen i det adiabatiske kompresjons/ekspansjonskammer 613. Stempelets kinetiske energi vil nå null og stempelet vil stoppe i bunnen av sin slaglengde. Når stempelet 615 stopper og snur med hensyn til bevegelses-retningen vil utløpsventilen 645 for komprimert gass i det adiabatiske kompresjonskammer 605 lukke og gassinnløps-ventilen 637 åpne, slik at luft kan trekkes inn i kammeret under stempelets 615 oppadrettede bevegelse. Samtidig lukker gassinnløpsventilen 639 i det isotermiske kompresjonskammer 609.

Den varme komprimerte gass i det adiabatiske kompresjons/- ekspansjonskammer 613 vil begynne å ekspandere adiabatisk og drive stempelet 615 oppover. Stempelets nedre del drives ut av kammeret 613 og inn i det isotermiske kompresj onskammer 609. Når stempelet begynner å komprimere luften i det isotermiske kompresjonskammer 609 sprøytes væske inn i kammeret 609 gjennom sprøyteåpningen 648 for å kjøle luften, slik at kompresjonsprosessen vil være tilnærmet isotermisk. Samtidig vil stempelets 615 øvre del 616 begynne å bevege seg ut av det adiabatiske kompresjonskammer 605 og inn i forbrenningskammeret 603. Som følge herav vil luft trekkes inn i det adiabatiske kompresjonskammer gjennom gassinnløps-åpningen 633. Når trykket i forbrenningsgassen når en verdi tilstrekkelig til å skyve utløpsgassene gjennom gass-luft-varmeveksleren 670 og ut til atmosfæren, vil utløpsgass-ventilen 631 åpne og tillate at utløpsgass støtes ut fra forbrenningskammeret 603.

Når trykket til luften i det isotermiske kompresjonskammer 609 når den ønskede verdi vil utløpsventilen 647 for komprimert gass åpne og kjølig komprimert luft trekkes ut av det isotermiske kompresjonskammer 609 sammen med sprøyte-væsken. Den kjølige komprimerte luft og sprøytevæske går til fuktighetsseparatoren 680 hvor væsken separeres fra den komprimerte luft. Den utseparerte væske går så til kjøle-systemet 682 hvor væsken kjøles før den benyttes om igjen i sprøytedusjen.

En del av den kjølige komprimerte luft fra fuktighetsseparatoren går gjennom gass til luf t-varmeveksleren 670, hvor den forvarmes med varme fra utløpsgassen fra forbrenningskammeret 603. Noe av den forvarmede komprimerte luft går til forbrenningskammeret 603 for bruk i den neste syklus, og noe går til innløpet i den andre luftturbin 676, som driver generatoren 674. En del av den kjølige komprimerte luft som forlater fuktighetsseparatoren 680 går gjennom en luft-luft-varmeveksler 678 hvor den forvarmes med varm utløpsluft fra den andre luftturbin 676. Den forvarmede komprimerte luft fra luft-luft-varmeveksleren 678 går så til hovedluftturbinen 672, hvor luften ekspanderer sammen med den varme komprimerte luft fra det adiabatiske kompresjonskammer 605.

Når stempelet 615 når toppen av sin slaglengde vil utløps-ventilen 631 i forbrenningskammeret 603, gassinnløpsventilen 637 i det adiabatiske kompresjonskammer 605, og utløps-ventilen 647 for komprimert gass i det isotermiske kompresjonskammer 609 være lukket og gassinnløpsventilen 637 i det adiabatiske kompresjonskammer 605 er åpnet. Innløpsventilen 625 for varm komprimert gass i forbrenningskammeret 603 åpnes for å slippe inn i en ny ladning av varm komprimert luft i forbrenningskammeret fra gass-luft-varmeveksleren 670. Brennstoff sprøytes inn i forbrenningskammeret gjennom brennstoff-innsprøytningsåpningen 627 og tenner den varme komprimerte gass. Den resulterende forbrenning driver stempelet nedover og syklusen gjentas.

Ved å inkorporere et adiabatisk kompresjons/ekspansjonskammer for retardering og reversering av bevegelsen til faststoff stempelet ved bunnen av dets slaglengde unngår man behovet for mer komplekse metoder som innbefatter bevegelse av gass til og fra et kammer og som krever ventiler som åpner og lukker med meget nøyaktig tidsstyring.

Som i de tidligere beskrevne utførelsesformer hvor det er ønskelig med kjøling av kammerveggene kan en kjølemantel anordnes rundt veggene i forbrenningskammeret i den utførelse som er vist i fig. 17, og gjennom denne kjølemantel kan det så sirkuleres kjølefluidum for å absorbere varme fra kammerveggene. Kjølefluidet kan innbefatte en andel av kjøling komprimert gass fremstilt i det isotermiske kompresjonskammer. Forbrenningskammerveggene kan ha et antall åpninger utformet deri for å slippe igjennom komprimert luft (eller en annen gass) inn i forbrenningskammeret, for ekspandering der sammen med forbrenningsgassen. Selv etter at kjølefluidet har absorbert varme fra forbrenningskammerveggene vil det allikevel være relativt kaldt sammenlignet med temperaturen i forbrenningsgassen. Innføringen av en relativ kjølig gassi forbrenningskammerne kan derfor gi et virkningsgradtap i systemet (eksempelvis som følge av en relativ stor endring i entropien). En slik transpirasjons-kjølemetode er derfor ikke nødvendigvis den mest effektive metode for gjenvinning av varme fra forbrenningskammerveggene.

Alternativt kan kjølefluidum sirkuleres rundt forbrenningskammerveggene for absorbsjon av varme, og kan så gå til en annen del av systemet, hvor den absorberte varme kan frigjøres i en del av syklusen hvor temperaturen ligger tettere opptil den til det oppvarmede kjølefluidum. Er eksempelvis kjølefluidet isotermisk komprimert luft fra det isotermiske kompresjonskammer så kan en del av den komprimerte luft bringes til å sirkulere rundt forbrenningskammerveggene og den oppvarmede komprimerte luft kan da styres til en luftturbin hvis innløpstemperatur er tilpasset temperaturen til den oppvarmede komprimerte luft.

En utførelsesform som innbefatter denne metode for gjenvinning av varme tapt til forbrenningskammerveggene, er vist i fig. 18. Utførelsen i fig. 18 ligner på mange måter den som er vist i fig. 17, og det er benyttet en rekke like henvisningstall. I fig. 18 er det øvre rom 601 omgitt av en kjølemantel 620 for å kjøle veggene i forbrenningskammeret 603 og mulig også det adiabatiske kompresjonskammer 605. Fuktighetsseparatoren 680 er forbundet med den kalde siden til gass-luft-varmeveksleren 670 gjennom en hovedleverings-ledning 618 for kjølig komprimert gass. En tilførselsledning 622 for et kjølefluidum forbinder kjølemantelen 620 med hovedtilførselsledningen 618. Forbindelsen av kjølefluidum-tilførselsledningen 622 med kjølemantelen er plassert nær det øvre roms 601 nedre ende, hvor temperaturen til forbrenningskammerveggene er relativ lav. Kjølemantelen 26 strekker seg til toppen av forbrenningskammeret og er anordnet slik at kjøleluft kan strømme rundt toppen av forbrenningskammeret hvor både innløpsventilen 625 for varm komprimert gass og utløpsgassventilen 631 er plassert.

Utløpsåpningen 641 for varm komprimert gass i det adiabatiske kompresjonskammer 605 er forbundet med innløpet til luftturbinen 672 via en gasstilførselsledning 626. Utløpsåpningen for kjølefluidum i kjølemantelen 620 er forbundet med gasstilførselsledningen 626 via en tilførselsledning 624. Kjølefluidum-utløpsåpningen fra kjølemantelen er plassert på toppen av forbrenningskammeret 603 hvor temperaturen er høyest. Denne plasseringen av kjølefluidum-utløpsåpningen sikrer at den komprimerte luft som forlater kjølemantelen har absorbert tilstrekkelig varme slik at temperaturen i den komprimerte luft vil være tilpasset temperaturen til den varmr komprimerte luft som forlater det adiabatiske kompresj onskammer 605.

Utførelsen i fig. 18 er beregnet for drift av en enkelt luftturbin 672, slik at man unngår behovet for en andre luftturbin og tilordnet varmeveksler i kraftanlegget, slik tilfellet er i fig. 17. I den utførelse som er vist i fig. 18 benyttes kjølig komprimert gass for gjenvinning av overskuddsvarme fra utløpsgassen i gass-luft-varmeveksleren 670 og går direkte til innnløpet i luftturbinen 672 via gasstil-førselsledningen 628. Dette aspekt ved utførelsen i fig. 18 er allerede beskrevet i forbindelse med utførelsen i fig. 15.

Under drift går kjøling komprimert gass fra det isotermiske kompresjonskammer 609 gjennom fuktighetsseparatoren 680, idet hovedandelen av den komprimerte gass så går til gass-luft-varmeveksleren 670. Den kjølige komprimerte gass forvarmes i varmeveksleren 670, og en del av den forvarmede komprimerte gass som er nødvendig for forbrenningen, går direkte til forbrenningskammeret 603. Den del av den forvarmede komprimerte gass som benyttes for gjenvinning av overskuddsvarme fra utløpsgassen, går direkte til luftturbinen 672, hvor den ekspanderer sammen med den adiabatisk komprimerte gass fra det adiabatiske kompresjonskammer 605.

En del av den kjølige komprimerte gass fra fuktighetsseparatoren går til kjølemantelen 620 for å kjøle forbrenningskammerveggene. Den komprimerte gass sirkulerer gjennom kjølemantelen, opptar varme fra forbrenningskammerveggene, og går så ut via kjølef luidum-utløpsåpningen og slutter seg til hovedstrømmen av adiabatisk komprimert gass som går til luftturbinen 672. Ventiler (ikke vist) kan være nødvendig for å styre strømmen av kjøleluft fra fuktighetsseparatoren gjennom kjølemantelen og inn i tilførselsledningen 626 hvor hovedstrømmen av adiabatisk komprimert gass går.

En utførelse av en symmetrisk termisk drevet kompressor med vertikalt adskilte kammere er vist i fig. 19, i forbindelse med et elektrisk kraftanlegg anordnet på en lignende måte som beskrevet foran i forbindelse med fig. 16 og 17. I fig. 19 innbefatter kompressoren 900 en U-formet ledning 901 som er delvist fylt med væske som danner et væskestempel 903. Armene 905 og 907 i ledningen 901 er lineære og strekker seg vertikalt oppover. Et rom 908,910 er dannet ved toppen av hver arm 905,907. Den øvre del her tjener som et forbrenningskammer 909,911, mens den nedre del tjener som et adiabatisk kompresjonskammer 913,915. Et nedre rom 912,914 er utformet i hver arm 905,907 under hvert av de øvre rom 908, 910. De nedre rom tjener hver som isotermisk kompresjonskammer 917,919. Det adiabatiske kompresjonskammer i hver arm er anordnet mellom forbrennings- og de isotermiske kompresjonskammere for derved i så sterk grad som mulig å redusere den termiske gradient ned langs lengden av armen og således for å minimalisere den termiske ledning fra forbrenningskammeret til det isotermiske kompresjonskammer.

Et faststoff-stempel 921,923 med høyere tetthet enn i væskestempelet 903 er plassert i hver arm 905,907 av ledningen 901 og innbefatter i hovedsaken tre deler, en øvre del, en midtre del og en nedre del. Den nedre delen til hvert stempel 921,923 er slik tilpasset diameteren i armen 905,907 i ledningen 901 at stempelet fritt kan bevege seg opp og ned, inn og ut av det isotermiske kompresjonskammer 917,919. Hver slik nedre stempeldel bæres undenifra av væskestempelet 903. Nær stemplenes nedre kant er det anordnet tetninger 984 for å hindre væskelekkasje mellom stempelet og kammerveggene. Den øvre delen 929,931 til faststoff stemplene 921 og 923 er dimensjonert i samsvar med diameteren i det øvre rom 908,910 og kan fritt bevege seg vertikalt mellom øvre og nedre ender av de øvre rom 908,910. De øvre og nedre deler av faststoff stemplene 921,923 er forbundne med hverandre og har en innbyrdes vertikal avstand dannet av en midtre del 930,932 i form av et skaft om en diameter som er mindre enn diameteren til såvel øvre som nedre del. Den midtre del 930,932 går fra det øvre til det nedre rom gjennom en åpning 93,935 utformet i skilleveggen 937,939 mellom øvre og nedre rom. En glide-tetning 941,943 er anordnet mellom åpningen 933,935 og skaftet for å hindre gasslekkasje mellom de isotermiske og adiabatiske kompresjonskammere.

Når hvert av de faste stemplene er i den nederste stilling i en respektiv ledningsarm vil det frie volum i såvel forbrennings- som det isotermiske kompresjonskammer være på en maksimal verdi. Samtidig vil det frie volum i det adiabatiske kompresjonskammer ha en minimumsverdi, idet den øvre del av stempelet befinner seg ved den nedre begrensning av stempelbevegelsen i det øvre rom. Omvendt, når hvert av stemplene er i den høyeste stilling vil det frie volum inn i forbrenningskammeret og det isoterme kompresjonskammer ha en minsteverdi, mens det frie volum i det adiabatiske kompresjonskammer vil ha en maksimumsverdi, idet da den øvre del av stempelet befinner seg ved den øvre begrensning av stempelets bevegelsesstrekning i det øvre rom.

Hvert forbrenningskammer 909,911 har en innløpsåpning 945,947 for varm komprimert gass styrt av en ventil 949,951 for innføring av forvarmet komprimert luft eller en annen oksyderende gass i kammeret, en brennstoffinnsprøytnings-åpning 953,955 for innsprøyting av brennstoff i kammeret, og en utløpsgassåpning 957,959 styrt av en ventil 961,963 for utstøting av varm utløpsgass fra forbrenningskammeret. Hvert adiabatisk kompresjonskammer 913,915 har en gassinnløpsåpning 965,967 styrt av en ventil 969,971 for derved å muliggjøre at gass kan trekkes inn i kammeret, samt en utløpsåpning 973,975 for komprimert gass og styrt av en ventil 977,979 for derved å tillate at adiabatisk komprimert gass kan trekkes ut av kammeret. Hvert isotermisk kompresjonskammer 917,919 har en gassinnløpsåpning 981,983 styrt av en ventil 985,987 for å muliggjøre at gass kan trekkes inn i kammeret, og en utløpsåpning 989,991 for komprimert gass og styrt av en ventil 993,995 for derved å muliggjøre at isotermisk komprimert gass kan trekkes ut fra kompresjonskammeret. Hver isotermisk kompresjonskammer har også et antall innsprøyt-ingsåpninger 918,920,922,924 anordnet for tilveiebringelse av en jevn væskedusj i det respektive ringvolum under komprimeringen .

Under driftssyklusen til den kompressor som er vist i fig. 19 vil forbrenningsprosessen i en arm av ledningen samtidig drive den adiabatiske kompresjonsprosess i samme arm, og den isotermiske kompresjonsprosess i den andre armen.

En typisk driftssyklus for den termisk drevne kompressor i fig. 19 går som følger, med utgangspunkt i at stempelet 923 befinner seg på toppen av sin slaglengde i forbrenningskammeret 911 og stempelet 921 befinner seg i bunnpunktet av sin slaglengde i forbrenningskammeret 909. Forbrenningskammeret 909 Inneholder varm ekspandert forbrenningsgass fra den foregående forbrenning og såvel innløpsventilen 949 for varm komprimert gass som utløpsgassventilen 961 er lukket. Det isotermiske kompresjonskammer 917 inneholder luft som tidligere er trukket inn gjennom gassinnløpsåpningen 981 under en tidligere del av syklusen, og gassinnløps- og-utløpsventilene 985,993 er lukket. Det adiabatiske kompresjonskammer 915 i ledningens 901 andre arm 907 inneholder også luft tidligere innført gjennom gassinnløpsåpningen 967. Gassinnløps- og- utløpsventilen 987,995 er lukket.

Når stempelet 923 stopper på toppen av sin slaglengde og reverserer vil innløpsventilen 951 for varm komprimert gass åpne og en bestemt mengde varm komprimert gass fra gass-luft-varmeveksleren 970 innføres i forbrenningskammeret 911. Brennstoff sprøytes inn gjennom brennstoffinnsprøytnings-åpningen 955 i forbrenningskammeret 911. Brennstoffet tenner og resulterer i en forbrenning av brennstoff-luft-blandingen. Derved drives stempelet 923 nedover og ut av både forbrenningskammeret 911 og det isotermiske kompresjonskammer 919. Til å begynne med opprettholdes brennstofftilførselen til forbrenningskammeret, slik at forbrenningen skjer under omtrentlig konstant trykk. Utløpsventilen 995 for komprimert gass i det isotermiske kompresjonskammer 919 lukker og gassinnløpsventilen 987 åpner. Derved tillates luft å gå inn i kompresjonskammeret 919 når stempelet beveger seg ut av kammeret.

Når den øvre del 931 av stempelet 923 beveger seg ned og ut av forbrenningskammeret 911 vil den gå inn i det adiabatiske kompresjonskammer 915 og komprimere luft der som tidligere er innført i kammeret under den siste del av syklusen.

Nedadrettet bevegelse av stempelet 923 følges av oppadgående bevegelse av det andre stempel 921, idet denne bevegelse drives av forbrenningsprosessen i den andre armen 907. Under den oppadgående bevegelsen til stempelet 921 i armen 905 vil utløpsventilen 977 for komprimert gass i det adiabatiske kompresjonskammer 913 lukke mens gassinnløpsventilen 969 er åpnen, slik at luft kan trekkes inn i kammeret. Både gass-innløpsventilen og utløpsventilen i det isotermiske kompresjonskammer 917 er lukket og den nedre del 925 av stempelet 921 begynner å komprimere luften i det Isotermiske kompresjonskammer. Under komprimeringen sprøytes en kjølig væskedusj inn i det isotermiske kompresjonskammer gjennom innsprøytningsåpningene 918,924 for å kjøle luften slik at kompresjonen kan foregå tilnærmet isotermisk. Utløpsventilen 961 i forbrenningskammeret 909 åpner når trykket er tilstrekkelig til å drive forbrenningsgassene ut av forbrenningskammeret, gjennom gass-luft-varmeveksleren 970 og ut i atmosfæren.

På et punkt under stempelets 923 nedadrettede bevegelse vil brenselinnsprøytningen stoppe. Stempelet 923 fortsetter å gå nedover til bunnen av sin slaglengde, med adiabatisk ekspansjon av forbrenningsgassen.

Når lufttrykket i det isotermiske kompresjonskammer 917 når den ønskede verdi vil utløpsventilen 993 for komprimert gass åpne og komprimert luft vil sammen med sprøytevæske trekkes ut av kammeret gjennom utløpsåpningen 989 for komprimert gass. Blandingen av komprimert gass og sprøytevæske vil gå igjennom fuktighetsseparatoren 972, hvor sprøytevæsken separeres ut. Sprøytevæsken går så i retur til kjølesystemet 974, hvor den kjøles før den benyttes om igjen i væskedusjen. En del av den kjølige komprimerte luft går fra fuktighetsseparatoren til gass-luft-varmeveksleren 970 hvor den forvarmes ved hjelp av varme fra de varme utløpsgassene fra forbrenningsprosessen. En del av den forvarmede komprimerte luft går til gass-luf t-varmeveksleren 970 for bruk under forbrenningen, og en annen del går til innløpet til en liten luftturbin 978.

Når lufttrykket i det adiabatiske kompresjonskammer 915 når den ønskede verdi vil utløpsventilen 979 for komprimert gass åpne og varm komprimert luft vil strømme ut av kammeret gjennom utløpsåpningen 975 og går til hovedluftturbinen 976 hvor den ekspanderer og derved produserer mekanisk energi for drifta av generatoren 980. Varme fra utløpsgassen fra den andre luftturbin 978 gjenvinnes ved at varmen overføres til en del av den kjølige komprimerte luft fra fuktighetsseparatoren 972 i luft-luft-varmeveksleren 982. Den varme komprimerte luft fra luft-luft-varmeveksleren går så til hovedluftturbinen 976 hvor den ekspanderer sammen med hovedstrømmen av adiabatisk komprimert luft. Når stempelet 923 når bunnen av sin slaglengde og stempelet 921 når toppen av sin slaglengde vil utløpsgassventilen 961 i forbrenningskammeret 909 lukke og det samme gjelder for gassinnløpsventilen 969 i det adiabatiske kompresjonskammer 913, utløpsventilen 993 for komprimert gass i kompresjonskammeret 917, utløpsventilen 979 for komprimert gass i det adiabatiske kompresjonskammer 919 og gassinnløpsventilen 987 i det isotermiske kompresjonskammer 919. Gassinnløpsventilen 949 for varm komprimert gass i forbrenningskammeret 909 vil åpne og lukkes kort etter å ha sluppet inn en ladning med varm komprimert gass i kammeret. Brennstoff sprøytes inn i forbrenningskammeret gjennom innsprøytingsåpningen 953. Brennstoffet tenner og den resulterende forbrenning av den forvarmede komprimerte luft og brennstoffblandingen vil drive stempelet 921 nedover, ut av forbrenningskammeret 909 og ut av det isotermiske kompresjonskammer 917. Stempelets returslag og den andre halvpart av driftssyklusen begynner.

Fordi utførelsen av kompressoren i fig. 19 er en symmetrisk innretning vil den andre halvparten av syklusen være lik den første, med kompresjons av luft i de adiabatiske og isotermiske kompresjonskammere 913 og 919, innføring av luft i de adiabatiske og isotermiske kompresjonskammere 915 og 917 og utstøting av forbrenningsgass fra forbrenningskammeret 911. Disse prosesser drives alle av forbrenningen i forbrenningskammeret 909. Ved at de forskjellige forbrennings- og kompresjonskammere er adskilt vertikalt vil oppbyggingen av kompressoren være relativ enkel og også robust.

I alternative utførelsesformer kan væske- og faststoff-stemplene erstattes av enkle faststoffstempler. I så tilfelle vil den U-formede ledning, hvis primære funksjon er å inneholde væske og å omdanne den ene dels nedadrettede bevegelse til oppadrettet bevegelse av den andre del av stempelet og omvendt, ikke være nødvendig. Stempelet kan anordnes for bevegelse lineært, og forbrenningskammerne kan anordnes med et forbrenningskammer under det andre eller med begge i det samme horisontale plan, med faststoffstempelet oscillerende mellom dem. Kompresjonskammerne kan være anordnet på lignende måte.

I de utførelser av gasskompressoren som har et massivt stempel foreligger det en mulighet for at stempelet kan bevege seg for langt og bevirke et ødeleggende anslag mot kammerenden. For å hindre dette kan det benyttes følere og kontrollmekanismer som betjener ventiler for innsprøyting av gass i kammeret. I tillegg kan det være ønskelig å utforme faststoffstempler på en slik måte at virkningen til et slikt anslag dempes. Eksempelvis kan enden eller hodet til stempelet være utformet sammenfallbart, slik at anslags-energien derved absorberes. Dette kan man oppnå ved å utforme stempelenden som en sammenbrytingssone. Alternativt kan stempelenden være utformet slik at den teleskoperer innover ved et anslag. Den sammenfallbare stempel-endedel bør være så lett som mulig, slik at den kinetiske energi for denne del av stempelet minimaliseres.

I samtlige av de i fig. 15-19 viste eksempler tilføres varme til den termisk drevne kompressor ved hjelp av intern forbrenning av brennstoff. Imidlertid kan man også benytte andre varmekilder såsom kjerne-, solar-, kjemiske og industrielle prosesser. Utførelser hvor det benyttes alternative varmekilder er beskrevet nærmere nedenfor. for å skille mellom kompressorer som benytter intern og ekstern varmekilde, skal det betegnes som kompressorer med henholdsvis intern forbrenningsoppvarming og ekstern forbrenningsoppvarming. Fig. 15-19 viser utførelser av en kompressor med intern forbrenning, sammen med komponenter i en krets egnet for fremstilling av elektrisk kraft, herunder minst en luftturbin. Slike systemer betegnes her som ICCAT (Internal Combustion Compressor and Air Turbine).

Brennstoffet for et ICCAT-system kan være i gassform, væskeform eller et fast stoff. Når det benyttes et faststoff-brensel, såsom kulle, vil det være nødvendig enten å gassifisere brennstoffet eller å male det ned til fine partikler (dvs. pulverisert brennstoff) slik man kjenner det fra eksisterende kullfyrte kraftstasjoner. Andre alternativer innbærer bruk av virvelsjikt-forbrennere, slik man kjenner det fra noen moderne kraftanlegg, eller kjede-rist-forbrennere, som man også kjenner fra tidligere. For noen brennstoffer vil det være nødvendig å ha midler for fjerning av partikler og svoveldioksyd fra utløpsgassen og fra selve kompressoren. For de fleste brennstoffer vil det være nødvendig med tiltak for kontroll av emmisjonen av nitrogenoksyder, enten som kontroll av forbrenningsprosessen eller med behandling av utløpsgassen.

Utløpsgassen fra forbrenningskammeret vil vanligvis inneholde en mengde vanndamp. Vanndamp fremkommer i selve forbrenningsprosessen som følge av at brennstoffet inneholder hydrogen. Den mengde av vanndamp som produseres vil være avhengig av forbrennings-brennstoffet. Eksempelvis vil naturgass eller metan (CH4) gi mer vanndamp enn kull.

Vanngjenvinning fra utløpsgass

Gjenvinningen av vann fra forbrenningsgassene kan være viktig av mange grunner. Vannbesparelser, særlig dersom vannet er avmineralisert, er en vesentlig grunn. Tilstedeværelsen av vanndamp vil også kunne gi en uønsket røksky over dens skorsten hvorfra utløpsgassen til slutt slippes ut. Dersom vann kan fjernes fra forbrenningsgassene før disse slippes ut i atmosfæren vil det ikke danne seg noen sky over skorstenen. Kondensering av vanndamp er en effektiv metode for fjerning av noen uønskede forurensninger fra utløpsgassen, og denne metode kan benyttes, alene eller som et supplement til andre metoder. Avhengig av type brennstoff kan forurensningene innbefatte svoveloksyd, nitrogenoksyd, ammoniakk, kvikksølv og andre tungmetaller og partikler. Dersom vanndampen kondenseres vil en del av disse forurensninger kunne fjernes fra ekshausgassen ved oppløsing i kondensatet. I noen tilfeller vil det kunne være nødvendig å sette til visse kjemikalier til kondensatet for å understøtte oppløsningen av forurensninger i vannfasen. Eksempelvis kan svoveloksyder fanges opp ved å sette til kalksten eller andre alkalier, slik man kjenner fra vanlige skorstensgass-avsvovlings-systemer. Andre additiver kan benyttes for å lette opp-fangingen av andre forurensninger.

Noen forurensninger, såsom ammoniakk er godt oppløselig i vann og det kreves ikke noen tilsettinger for oppnåelse av en virkningsfull oppfanging. Ammoniakk kan sprøytes inn i varmeveksleren, i forbrenningskammeret eller i det tilhørende ledningsnett for å redusere de nitrogenoksyder som danner seg ved høye temperaturer. Avhengig av forholdene og mengde ammoniakk som sprøytes inn kan det forekomme at forbrenningsgassen har overskudd av ammoniakk og det vil da være ønskelig å kunne fjerne denne før gassen frigjøres til atmosfæren. Kondensering er også en virkningsfull metode for fjerning av partikler, herunder askepartikler fra utløpsgassen. For brennstoff som har et betydelig askeinnhold, såsom kull, kan vanlig elektrostatisk utfelling benyttes i tillegg til kondensering.

En innretning for kondensering av vanndamp fra utløpsgassen er vist skjematisk i fig. 20. Innretningen kan koples direkte til utløpssiden for kjølig utløpsgass i høytemperatur-gass-luft-varmeveksleren i fig. 15-19. Innretningen kan også anvendes i andre systemer hvor det er ønskelig å gjenvinne vann fra utløpsgass eller andre gasser.

I fig. 20 er en lavtemperatur-gass-gass-varmeveksler 656 koplet til utløpsgassiden til høytemperatur-gass-luft-varmeveksleren 649, som tjener til å varme opp isotermisk komprimert luft ved hjelp av utløpsgass fra kompressorens forbrenningskammer. En kjøler 658 er forbundet med gass-gass-varmeveksleren 656 slik at utløpsgass fra gass-gass-varmeveksleren 656 kan gå gjennom kjøleren 648 og i retur til lavtemperatursiden på gass-gass-varmeveksleren 656. En vifte 666 trekker luft gjennom kjøleren for kjøling av utløps-gassen. Viften kan være plassert enten oppstrøms eller nedstrøms for kjøleren.

For å klargjøre virkemåten til vanngjenvinningsutstyret skal det forutsettes visse temperaturer på forskjellige steder i innretningen, selv om disse temperaturer i praksis vil kunne ha andre verdier. Utløpsgass fra forbrenningskammeret går igjennom høytemperatur-gass-luft-varmeveksleren 649. Der kjøles utløpsgassen til rundt 60° C ved hjelp av den isotermisk komprimerte luft fra det isotermiske kompresjonskammer, som har en temperatur på rundt 40°C. Utløpsgass fra gass-luft-varmeveksleren 649 går gjennom lavtemperatur-gass-gass-varmeveksleren 656, hvor den kjøles ytterligere, til rundt 35°C, ved hjelp av kjølig utløpsgass i retur fra kjøleren 658. Utløpsgassen går så til kjøleren hvor den kjøles til en temperatur på rundt 25°C ved hjelp av en strøm av atmosfæreluft med en inngangstemperatur på rundt 15°C, og går så i retur til gass-gass-varmeveksleren 656. Vann som er kondensert fra utløpsgassen som følge av kjølingen i gass-gass-varmeveksleren 656, fjernes før utløpsgassen går til kjøleren 658. Vann som er kondensert som følge av ytterligere kjøling i kjøleren 658 fjernes etter dette trinn og før utløpsgassen går i retur til gass-gass-varmeveksleren 656. Den avkjølte utløpsgass går i retur til gass-gass-varmeveksleren 656 slik at noe av den fjernede varme tas tilbake. Tørr utløpsgass hvis temperatur er hevet til over ca. 50°C i gass-gass-varmeveksleren 656, går ut i atmosfæren. En gjenoppvarming av utløpsgassen hindrer dannelsen av uønsket dampskyer over skorstenen og øker også utløpsgassens oppdrift, hvilket bidrar til dens fordeling i atmosfæren.

Selvom kjøleren 658 i fig. 20 benytter luft for kjøling av forbrenningsgassen kan man bruke andre kjølemetoder, såsom vann i fra en sjø, en elv, et kjøletårn eller fra sjøen. Er forbrennings-brennstoffet naturgass så kan gjenvinning av vann oppnås ved relativt høye temperaturer fordi skorstens-gassen fremkommet under forbrenningen vil ha et duggpunkt på rundt 60°C.

Kompressorer med intern forbrenning

ICCAT-systemet har flere fordeler sammenlignet med CCGT-systemet og konvensjonelle kull- og oljefyrte dampanlegg. ICCAT-systemet har ingen gassturbin som drives av varme forbrenningsgasser fra et separat forbrenningskammer. I et CCGT-system er den maksimale temperatur bestemt av den maksimale temperatur som gassturbinbladene kan tåle, dvs. rundt 1300°C. Da varme i forbrenningsgassene i ICCAT-systemet overføres direkte til kinetisk energi for stempelet (eller et annet middel for lagring av kinetisk energi og koplet til stempelet), vil den maksimale temperaturgrense ligge meget høyere og ligge i området over 2000°C.

Utløpsgass fra gassturbinen i et CCGT-system har en temperatur på rundt 500°C, og denne gass benyttes for tilveiebringelse av damp for drift av en dampturbin. I ICCAT-systemet kan imidlertid temperaturen i utløpsgassen ligge i størrelsesordenen 800°C og benyttes for forvarming av innløpsluften til forbrenningskammeret via en varmeveksler. ICCAT-systemet krever derfor intet dampanlegg, noe som reduserer kapitalkostandene.

I et CCGT-anlegg gir en konvensjonell roterende kompressor varm komprimert innløpsluft på en temperatur på rundt 350°C. Denne temperatur oppnås som følge av varme som overføres til den komprimerte luft under den adiabatiske kompresj* ons-prosess. Varme overført til innløpsgassen tilveiebringes av mekanisk energi i en roterende kompressor. I ICCAT-systemet vil imidlertid innløpsluften ha en temperatur på rundt 800°C og varmes ikke av mekanisk energi, men av varmen i utløps-gassen fra kompressoren. ICCGT-systemet vil således temperaturen heves fra 350CC til 1200° C, mens den i ICCAT-systemet heves fra 800°C til 2000°C. I ICCAT-systemet vil derfor den gjennomsnittlige temperatur hvormed varme tilføres systemet være meget høyere enn ICCGT-systemet. Dette er meget gunstig ut i fra det synspunkt på Carnot-virkningsgraden som er nevnt foran. Videre kreves det, fordi innløpsluften komprimeres isotermisk, meget mindre energi for komprimering av en gitt gassmengde enn den som kreves av den roterende kompressor i CCGT-systemet.

Mesteparten av den komprimerte luft som benyttes for drift av den termisk drevne kompressor i ICCAT-systemet konsumeres i forbrenningsprosessen. I ICCGT-systemet derimot vil større mengder av komprimert luft være nødvendig for kjøling av turbinkomponentene og for uttynning av forbrenningsgassene slik at gasstemperaturen ikke overskrider ca. 1300°C.

I et CCGT-system vil utløpstemperaturen fra dampanlegget til atmosfæren ligge på rundt 80° C. Det bør være mulig å oppnå lavere utløpstemperaturer for luften og forbrenningsgassen i ICCAT-systemet, noe som antyder mindre bortkastet varme og høyere virkningsgrad. Videre gjelder at i ICCAT-systemet vil energi trekkes ut under utnyttelse av en luftturbin, som opererer ved en sammenligningsvis lav temperatur og hvis utløpstemperatur ligger nær omgivelsestemperaturen. Da luftturbinen arbeider med en forholdsvis lav temperatur kreves ingen kjøling og man burde ikke støte på noen spesielle materialproblemer.

ICCAT-systemet har også fordeler sammenlignet med det kraftanlegg som er vist i fig. 9 fordi man kan oppnå høyere temperaturer, selv om en kjøling av gassturbinbladene med kald komprimert luft kan muliggjøre en drift av gassturbinen ved en temperatur i størrelsesordenen 1500°C istedenfor de foran nevnte 1200°C.

Med et nøyaktig konstruert ICCAT-system bør varmetapet kunne holdes på et minimum, og ideelt sett vil den eneste del av syklusen hvor en vesentlig varmemengde går tapt være den isotermiske kompresjon. I tillegg til den kjølestrategi som er nevnt foran kan det benyttes en hver form for kjøling i syklusen, såsom våte, tørre eller hybride kjøletårn eller direkte kjøling til atmosfæren eller til en vannmasse, så som sjøen, en elv eller en innsjø.

Eksternt oppvarmet kompressor og luftturbin

Alternative varmekilder kan benyttes for drift av den termisk drevne kompressor i stedet for bruk av varme fra en forbrenn-ingsprosess. I så tilfelle vil varmekilden stort sett ligge utenfor den termisk drevne kompressor. Systemer hvor en slik termisk drevet kompressor virker som en komponent i et kraftanlegg med drift av en luftturbin, skal her betegnes som et EHCAT-system (Externally Heated Compressor and Air Turbine). Som foran nevnt kan varmen tilveiebringes ved hjelp av kjemiske eller industrielle prosesser, solenergi eller ved hjelp av kjerneenergi. En ekstern varmeveksler kan også foretrekkes for forbrenning av visse brennstoffer, som ikke nødvendigvis må gassifiseres eller brennes inne i selve kompressoren. Eksempler her er avfallsforbrenning og muligens også forbrenning av biomasser og kull.

Fig. 21 viser rent skjematisk en utførelse av den eksternt oppvarmede kompressor i et EHCAT-system. Kompressoren 701 innbefatter et isotermisk kompresjonskammer som produserer kjølekomprimert gass, og et adiabatisk kompresjonskammer som produserer varmkomprimert gass. I så henseende kan kompressoren være lik den kompressor med intern forbrenning som er vist i fig. 15 til 19. I den eksternt oppvarmede kompressor er imidlertid forbrenningskammeret som man finner i kompressoren med intern forbrenning erstattet av et ekspansjonskammer hvor meget varmkomprimert gass sprøytes inn uten brennstoff. Denne meget varme komprimerte gass ville ekspandere og avkjøles uten forbrenning, og vil gi av kinetisk energi til stempelet eller et annet lagringsmiddel for kinetisk energi. Varm utløpsgass går fra ekspansjonskammeret og til en gass-gass-varmeveksler 703 for forvarming av den kjølige komprimerte gass som kommer fra det isotermiske kompresjonskammer. Denne forvarmede gass går til en prosess-varmeveksler 705 hvor gassen oppvarmes til sin sluttemperatur med varme tilveiebragt ved hjelp av en termisk prosess. Den meget varme komprimerte gass fra prosess-varmeveksler 705 føres inn i ekspansjonskammeret i den eksternt oppvarmede kompressor for drift av stempelet. I denne utførelsen trekkes energi fra den eksternt oppvarmede kompressor ved komprimering av en gassmengde adiabatisk og ekspandering av denne gass i en gassturbin 707 for drift av en strømgenerator 709.

Dersom varmen for drift av den termisk drevne kompressor tilveiebringes via en ekstern varmeveksler, vil det være mulig å utføre systemet slik at arbeidsgassen sirkulerer i en lukket syklus. Fordelene med et system med lukket syklus er at trykket til arbeidsgassen kan økes for derved å oppnå større kapasitet for en gitt anleggsdimensjon, og at det kan benyttes en annen gass enn luft for bedring av varmeoverfør-ingen.

Et system med lukket syklus er også vist i fig. 21, med de nødvendige modifikasjoner relativt et system med åpen syklus indikert med stiplede linjer.

Kjølig utløpsgass fra gass til gass-varmeveksleren 703 kombineres med kjølig lavtrykk-utløpsgass fra hovedgassturbinen 707 og denne gass går til kompresj onskamrene i kompressoren. En del av gassen komprimeres adiabatisk for drift av hovedgassturbinen 707 og en del av gassen komprimeres isotermisk, forvarmet av gass-gass-varmeveksleren 703, og går så til prosess-varmeveksleren 705 for oppvarming med varme fra en ekstern termisk prosess. Deretter sprøytes den som meget varm komprimert gass inn i ekspansjonskammeret for drift av kompressoren.

Den termiske kapasiteten til utløpsgassen fra den eksternt oppvarmede kompressor 701 er den samme som for innløpsgassen fra det isotermiske kompresjonskammer. Det foreligger derfor ingen overskuddsvarme i utløpsgassen fra kompressoren, i motsetning til hva tilfellet er for kompressoren med intern forbrenning. I dette tilfellet er det ikke nødvendig med en andre gassturbin og en andre varmeveksler, som i noen tilfeller er ønskelig i ICCAT-systemet, i EHCAT-systemet, som vist i fig. 21. Imidlertid kan den eksterne prosessvarme være tilgjengelig over et betydelig temperaturområde og i slike tilfeller kan to eller flere gassturbiner benyttes. Er eksempelvis den eksterne varmeveksler en ovn med brennstoff-fyring, så vil det kunne forekomme overskuddsvarme, avhengig av utløpsgasstemperaturen. Fig. 22 viser en utførelse av en eksternt oppvarmet kompressor anvendt i et EHCAT-system hvor overskuddsvarme fra utløpsgassen fra en eksternt fyrt ovn omdannes til utnyttbar energi.

Kraftanlegget i fig. 22 innbefatter en ovn 805 som tjener som hovedvarmer for oppvarming av den komprimerte luft for drift av den eksternt oppvarmede kompressor 801. En vifte 811 tilfører luft til ovnen 805 via en hoved-gass-luft-varmeveksler 813. Gass-luft-varmeren 813 forvarmer innløpsluften til ovnen 805 med en del av eksosgassen fra skorsten. Kraftanlegget innbefatter videre en andre luftturbin 815 som driver en andre generator 817, og en andre gass-luft-varmeveksler 819. En del av den isotermisk komprimerte luft fra den eksternt oppvarmede kompressor går til den andre gass-luft-varmeveksler 819 som er anordnet for forvarming av denne luften med en del av utløpsgassen fra ovnen 805. Den forvarmede komprimerte luft går så som innløpsluft til den andre luftturbin 815 for tilveiebringelse av ekstra energi. Driftstemperaturen til den andre luftturbin 815 er betydelig høyere enn for hovedturbinen 807, slik at utløpsluften fra den andre luftturbin 815 vil inneholde en betydelig varmemengde. En andre luft-luft-varmeveksler 821 er anordnet for gjenvinning av denne varme ved hjelp av forvarming av en ytterligere del av den isotermisk komprimerte luft fra den eksternt oppvarmede kompressor 801, idet denne ytterligere andel av luft så tilføres strømmen av adiabatisk komprimert luft for drift av hovedluftturbinen 807. Avhengig av sammensetningen av utløpsgassen fra ovnen kan det tilsettes midler for rengjøring av utløpsgassen 823 før utløpsgassen frigjøres til atmosfæren.

En andre luftturbin kan også benyttes når den eksterne varmekilde ikke er en brennstoff-forbrenning, men eksempelvis en industriprosess, en varmetapstrøm eller en annen varmekilde. Det benyttede arrangement vil være avhengig av varmekilden og hvordan denne er tilpasset den eksternt oppvarmede kompressorkrets.

Eksternt oppvarmet varmevæske- innsprøytingskompressor

Fig. 23 viser en utførelse av den eksternt oppvarmede kompresor hvor varmen overføres til væske i stedet for til gass i den eksterne varmeveksler. Den termisk drevne kompressor 900 har flere likheter med den forbrennings-kompressor som er beskrevet foran i forbindelse med fig. 17, og det er derfor benyttet de samme henvisningstall med 300 som basis. Den foran gitte beskrivelse av disse komponenter herunder det faste stempel, de adiabatiske og isotermiske kompresjonskamre og det nedre fjæringskammer sammen med vanngjenvinningssystemet, luftturbinen og generatoren til forbrenningskompressoren gjelder derfor i samme grad for den termisk drevne kompressor i fig. 23. Hovedforskjellen mellom den eksternt oppvarmede kompressor og kompressoren med intern forbrenning ligger i virkemåten til det øvre kammer og den måte som varme overføres på til det øvre kammer, og dette skal nå beskrives nærmere.

Det øvre kammer 903 i den eksternt oppvarmede kompressor har en innløpsåpning 929 for komprimert gass styrt av en ventil 931, en utløpsgassåpning 923 styrt av en ventil 925 og en sprøytevæskeinnsprøytningsåpning 928. Innløpsåpningen 929 for varm komprimert gass er forbundet med utløpsåpningen 943 for komprimert gass i det isotermiske kompresjonskammer 909 via en fuktighetsseparator 980 og en gass-gass-varmeveksler 970. Utløpsgassåpningen 923 er forbundet med gass-gass-varmeveksleren 970 via en andre fuktighetsseparator 982. Innsprøyt-ingsåpningen for væske på toppen av ekspansjonskammeret 903 er forbundet med utløpet for sprøytevæske fra fuktighetsseparatoren 983 via en prosess-varmeveksler 985 og en andre innsprøytingspumpe 986 for væske.

Driften av kompressoren skal nå beskrives, med utgangspunkt i at stempelet 915 befinner seg ved toppen av sin slaglengde i ekspansjonskammeret 903. Når stempelet stopper i maksimalt høydenivå, vil gassinnløpsventilen 931 åpne og forvarmet komprimert gass innføres i ekspansjonskammeret 903 gjennom gassinnløpsåpningen 929. Samtidig vil varm væske fra prosess-varmeveksleren 984 sprøytes inn i ekspansjonskammeret 903 ved hjelp av pumpen 986. Den forvarmede komprimerte gass oppvarmes ytterligere ved hjelp av væskedusjen og ekspanderer og driver væskestempelet nedover. Varme overføres fra de innsprøytede dråper til gassen under gassens ekspandering, slik at gasstemperaturen holdes under ekspansjonen.

Når stempelet når bunnen av sin slaglengde i ekspansjonskammeret 903 og reverserer retning, vil utløpsgassventilen 925 åpne og lavtrykk-utløpsgass sammen med sprøytevæske støtes ut fra ekspansjonskammeret gjennom utløpsgassåpningen 923 og strømme gjennom fuktighetsseparatoren 983, hvor sprøytevæske fjernes. Lavtrykk-utløpsgassen går så gjennom gass-gass-varmeveksleren 970 hvor komprimert gass fra det isotermiske kompresjonskammer 909 forvarmes før den innføres i ekspansj onskammeret 903. Sprøytevæsken som er utseparert i fuktighetsseparatoren 983 går i retur til prosess-varmeveksleren, hvor den oppvarmes igjen før gjentatt anvendelse i sprøytedusj en.

I et system med åpen syklus, hvor luft brukes som gassen, vil utløpsluft fra varmeveksleren 970 støtes ut i atmosfæren. I et system med lukket syklus vil gassen fra varmeveksleren 970 gå til det isotermiske kompresjonskammer 909 for komprimering. På denne måten vil gassen kontinuerlig kunne resykleres i en lukket krets. I et system med åpen syklus vil utløpsluft fra turbinen 972 støtes ut, men i et system med lukket syklus vil gassen føres direkte tilbake til det adiabatiske kompresjonskammer 905. I sistnevnte tilfelle blir gassen som benyttes for drift av turbin 972, resyklert kontinuerlig. Den eksternt oppvarmede kompressor kan således arbeide i en åpen syklus eller i en lukket syklus, som indikert med de stiplede linjer. I fig. 23 ser man at den gass som går gjennom det adiabatiske kompresjonskammer og turbinen, ikke blander seg med gassen i resten av systemet. Det vil derfor være mulig å ha ulike gasser i disse to kretser og i realiteten kan den ene kretsen være en åpen syklus, mens den andre er en lukket syklus.

Bruk av innsprøytet væske som varmeoverføringsmedium er fordelaktig fordi den eksterne varmeveksler 960 kan gjøres mer kompakt og mer effektiv. En annen fordel ved bruk av væske er at varmen kan tilføres den innsprøytede gass under hele ekspansjonen, hvilket vil bedre den termodynamiske virkningsgrad. Bruk av væske som varmeoverføringsmedium begrenser maksimaltemperaturen til varmekilden til en temperatur som kan opptas av en egnet væske. Fordelaktig bør den benyttede væske ha akseptable fysiske og kalori-egenskaper, og den bør være ugiftig, aksepetabel for miljøet og relativt billig.

En eksternt oppvarmet kompressor med innsprøyting av varm væske kan egne seg for kraftfremstilling under utnyttelse av lavtemperatur-varmekilder såsom solenergi, geotermisk energi eller lavtemperatur-avfallsvarme.

I en lukket syklus vil det kunne være nødvendig å gi gassen noen ekstra kjøling etter at den har forlatt turbinen, for opprettholdelse av en stabil temperatur.

Fordelaktig kan den termisk drevne kompressor arbeide med brennstoffer av ulike typer herunder naturgass, lette og tunge oljer, orimulsjoner, kull, biomasse eller husholdningsavfall. Bruk av ulike typer forbrennbare brennstoffer skal nå beskrives.

Naturgass og lette oljer foreligger i en egnet form med hensyn til direkte innsprøyting og brenning inne i det oppvarmede forbrenningskammer. Alternativt kan disse brennstoffer brennes inne i et forbrenningskammer på utsiden, men tilknyttet, det oppvarmede kammer. Hensiktsmessig kan brennstoffet spontant avhengig av temperaturen til innløps-luften og/eller trykket i kammeret, slik tilfellet er dieselmotorer. Forbrenningsproduktene inneholder i hovedsaken ingen partikler og meget lite svoveldioksyd, selv om det vil forefinnes en viss mengde nitrøse oksyder (NOX). Emisjonen av NOX kan begrenses med en katalytisk eller ikke-katalytisk reduksjon med ammoniakk. Det forefinnes flere muligheter for brenning av tungoljer, orimulsjoner eller kull.

Med referanse til ICCAT-systemet kan tungoljer og orimulsjoner forstøves i form av fine små dråper ved oppvarming og så sprøytes inn i ekspansj onskammeret i de nødvendige intervaller, og brennes ved hjelp av intern forbrenning. Dråpene kan tenne i høytemperaturluften fra varmeveksleren og brennes raskt. Om nødvendig kan det benyttes et tennings-system som for eksempel kan innbefatte bruk av innsprøyting av et annet brennstoff for å starte forbrenningsprosessen. Kull kan også sprøytes inn i forbrenningskammeret i form av fint støv (pulverisert brennstoff) som føres til ekspansjonskammeret gjennom et rør i en strøm av luft eller et annet egnet transportmedium. Det er viktig å sikre seg at det ikke foreligger noen fare for for tidlig eksplosjon av "kullstøvet i transportfluidet. Dette hensyn kan føre til valg av et annet fluidum enn luft for transport av kullstøvet.

I en annen utførelsesform kan tungoljen, orimulsjonen eller kullet gassifiseres under anvendelse av luft eller oksygen i et egnet gassifiseringsanlegg. Brennstoff i vaeskeform, dvs. orimulsjoner eller tungolje, vil være enklere å håndtere i en gassifiseringsprosess enn kull, fordi det ikke foreligger noe krav om møller for maling av brennstoffet eller bruk av et egnet gassformet transportmedium.

I en annen utførelsesform kan det benyttes en eksternt trykksatt ovn for brenning av tungoljer, orimulsjoner, kull eller gassifisert brennstoff, for fremstilling av varme forbrenningsgasser som føres inn i ekspansjonskammeret til kompressoren under kontroll av høytemperatur-ventiler.

Når det gjelder EHCAT-systemet, kan orimulsjoner, tungolje eller kull brennes i en hovedvarmer for oppvarming av arbeidsfluidet for den termisk drevne kompressor. Hovedvarmeren kan innbefatte en ikke-trykksatt ovn anordnet for brenning av brennstoff i forvarmet atmosfæreluft og kan videre innbefatte en varmeveksler hvor arbeidsfluidet, som kan være forvarmet komprimert luft fra den termisk drevne kompressor, går. Den forvarmede komprimerte luft varmes opp med varme fra ovnen og sprøytes så inn i ekspansjonskammeret som meget varm komprimert luft for drift av stempelet.

Dersom brennstoffet underkastes noen form for gassifisering, så vil fortrinnsvis svovelet fjernes før forbrenningstrinnet. Fjerning av svovel etter gassifiseringen, men før forbrenningen, vil være fordelaktig fordi gassvolumene er meget mindre. Svovelet vil således ha en sterkere tendens til uttrekking i sin elementære form i stedet for som en gips. Dette betyr at massen av produktmater iale også blir meget mindre. På den annen side, dersom brennstoffet ikke gassifiseres, bør utløpsgassen fra forbrenningsprosessen underkastes en avsvovling før den går ut i atmosfæren.

Der hvor det er mulig, bør man velge direkte forbrenning av brennnstoffet i forbrenningskammeret i den termisk drevne kompressor i stedet for bruk av en ekstern ovn, uavhengig av om brennstoffet er gassifisert. Forbrenningsgassen som produseres ved bruk av gassifisert brennstoff vil vanligvis være renere enn den som kommer fra den direkte forbrenning av et fast brennstoff eller et tungvæske-brennstoff. Valget mellom disse to metoder vil imidlertid i sterk grad være avhengig av de relative kostnader og miljøakseptet.

Biomasse og husholdningsavfall kan også benyttes som brennstoffer dersom de prepareres i en egnet form. Selv om det vanligvis ikke er praktisk å dele opp husholdningsavfall eller de fleste former av biomasse til partikler med sub-millimeter-dimensjoner, slik man kjenner det fra pulverisert kull, vil biomasse kunne brennes i et egnet utformet internt forbrenningssystem dersom partiklene er små nok til å oppnå en signifikant oppbrenningsgrad. Alternativt kan biomassen gassifiseres. Eksempelvis kan i en utførelsesform biomasse gassifiseres eksternt i et fast sjikt eller eventuelt i et virvelsjikt hvor gassdannelsen vil kunne skje som en kontinuerlig prosess. Man kan benytte enten oksygen eller luft. Det vil være ønskelig å maksimalisere den kjemiske energien i det gassifiserte produkt og minimalisere varmepro-duksjonen i gassdannelsestrinnet. Varmen i forbindelse med gassdannelsen kan overføres ved hjelp av en varmeveksler til isotermisk komprimert luft med ekspandering for øking av systemets kraftlevering. Gassen forbrennes i et ICCAT-system i likhet med det som benyttes for naturgass.

Termisk drevet gasskompressor med gassifisering

Som nevnt foran kan gassifiserte brennstoffer såsom kull, tungoljer, orimulsjoner eller biomasse for bruk i en forbrenningskompressor være en attraktiv mulighet. Fig. 24 viser anvendelsen av en utførelsesform av intern forbrennings-kompressoren og luftturbinen i en integrert gassifiserings- og kraftsyklus. I fig. 24 finner man en termisk drevet kompressor samt et sprøytevæske-gjenvinnings- og -kjølesystem som tidligere er beskrevet i forbindelse med fig. 17 og 18, og som innbefatter et massivt, vertikalt bevegbart faststoffstempel. Like komponenter er gitt de samme henvisningstall.

Gassifiseringsanlegget innbefatter en luftsepareringsenhet 652 tilknyttet utgangen fra fuktighetsseparatoren 680 for mottak av en del av kjølige komprimerte luft som tilveiebringes av forbrenningskompressoren 600. Luftsepareringsenheten produserer både trykksatt nitrogen og trykksatt oksygen. Luftsepareringsenheten 652 er anordnet for å levere trykksatt oksygen til en gassifiseringsinnretning 654 hvor oksygenet benyttes for å konvertere pulverisert kull (eller et annet brennstoff) til en råbrennstoffgass som blant andre gasser inneholder karbonmonoksyd og hydrogen. En beholder 653 er anordnet under gassifiseringsinnretningen 654 for oppsamling av slagg som fremkommer under gassifiseringen. En kjølemantel 655 er anordnet rundt så vel gassifiseringsinnretningen 654 som slagg-samlebeholderen 653 for derved å muliggjøre at kjølefluidum kan sirkulere rundt veggene i gassifiseringsinnretningen for derved å muliggjøre gjenvinning av varme som oppstår under gassifiseringen. I denne utførelsen benyttes trykksatt nitrogen produsert i enheten 652 som kjølefluidum, og nitrogenleveringen fra luftsepareringsenheten 652 er tilknyttet en nedre del av kjølemantelen 655. En utløpsåpning for varmt komprimert nitrogen er anordnet nær toppen av gassifiseringsinnretningens kjølemantel og er direkte tilkoblet luftturbinens 672 innløp. Varme fra gassifiseringsinnretningen blir således gjenvunnet i en form i hvilken den på en hensiktsmessig måte kan konverteres til utnyttbar energi•

Utløpet i gassifiseringsinnretningen 654 for råbrennstoffgass er tilknyttet en gass-luft-varmeveksler 656 hvor rågassen kjøles ved hjelp av en ytterligere tilførsel av trykksatt nitrogen fra luftsepareringsenheten 652. Det varme komprimerte nitrogen fra gass-luft-varmeveksleren 656 går til luftturbinen 672 hvor det ekspanderer for tilveiebringelse av utnyttbar mekanisk energi. Rågassen fra gass-luft-varmeveksleren 656 er tilknyttet en askesyklon 658 hvor rågassen behandles for fjerning av aske. Behandlet gass fra askesyklonen 658 går så til en svovel-fjerningsenhet 662 via en rågass-rengass-varmeveksler 660 hvor rågassen kjøles før den føres inn i svovelfjerningsenheten 662. Ren brennstoffgass går fra svovelfjerningsenheten. Denne rene brennstoffgass vil fra rågass-rengass-varmeveksleren 660 gå direkte til forbrenningskammeret i forbrenningskompressoren 600 via brennstoffinnsprøytingsåpningen 627, for forbrenning i forbrenningskammeret 603. En del av den isotermisk komprimerte luft produsert i forbrenningskompressoren kan benyttes som supplement for det trykksatte nitrogen for gjenvinning av varme fra gassifiseringen, dersom det er nødvendig.

Denne gassifi seringsprosess forventes å gi en betydelig bedre mykningsgrad enn hittil kjente utførelser, som følge av de følgende faktorer. Fordi den trykksatte luft som kreves for luftsepareringsenheten, for forbrenning og for kjøling komprimeres isotermisk, kreves det mindre kompresjonsarbeide. Gassifiseringsvarmen gjenvinnes på en slik måte at temperaturen vil være høyere enn det som vanligvis er mulig i dagens utførelser i integrerte gassifiserings-kraftanlegg. Videre vil bruk av det gassifiserte brennstoff i et ICCAT-forbrenningskammer øke effektiviteten for omdannelsen av ren brennstoffgass til elektrisk kraft.

I en alternativ utførelse kan gassifiseringssyklusen benyttes uten luftseparering, ved å benytte isotermisk komprimert luft i gassifiseringsprosessen og for fjerning av varme i varmeveksleren 656 nedstrøms for gassifiseringsinnretningen 654. Imidlertid vil en omdannelse av brennstoff til brennstoffgass være mindre effektiv dersom luft benyttes, og det vil da være vesentlig å forvarme den isotermisk komprimerte luft før den føres inn i gassifiseringsinnretningen.

Hovedfordelen med bruk av oksygen i gassifiseringssyklusen er at en høyere gassifiseringstemperatur gjør det mulig å oppnå en mer fullstendig omdannelse av karbonet i brennstoffet til karbonmonoksyd. Den høyere gassifiseringstemperatur kan også muliggjør en mer effektiv omdannelse av varme til mekanisk og elektrisk energi i varmegjenvinningsprosessen fra gassifiseringen til luftturbinen. I en annen utførelse kan det være fordelaktig å benytte oksygen i forbrenningsprosessen i stedet for luft. Dette vil begrense mengden av NOX-dannelse til den som skyldes nitrogenet i brennstoffet. For forbrenningsprodukter av kull som brennes i luft vil duggpunktet for kondensering av vann ligge på rundt 38°C, hvilket gir meget små muligheter for kondensering av dette vannet og gjenvinning av latent varme. I tilfellet av bruk av kull som brennes i oksygen vil duggpunktet ligge på rundt 67°C, og man vil da ha en mulighet for utnyttelse av den latente varme for forvarming av noe av det komprimerte nitrogen fra luftsepareringsenheten, eksempelvis i luftturbinen. Videre, når kull brennes i oksygen, med kontaminanter så som svovel fjernet og vannet kondensert, vil forbrenningsproduktene nesten i sin helhet bestå av karbondioksyd. Dersom det ansees nødvendig å gjenvinne karbondioksydet av hensyn til det omgivende miljø, så vil gassen være en egnet form.

Gassifisering av brennstoffet kan også implementeres i syklusen med isotermisk kompressor og gassturbin. Fig. 25 viser en utførelse av en gassdrevet isotermisk kompressor i et integrert gassifiserings- og kraftanlegg. Den spesielle utførelsen av den Isotermiske kompressor er beskrevet foran 1 forbindelse med fig. 5 og det er derfor benyttet de samme henvisningstall, på en 800 basis. Særlig gjelder at den isotermiske kompressor innbefatter et øvre kammer 809 anordnet vertikalt over et nedre kammer 811 og et massivt faststoffstempel som fritt kan oscillere vertikalt inn og ut av hvert kammer. Det øvre kammer har en innløpsåpning 821 for varm komprimert luft styrt av en ventil 825, en utløpsåpning 813 for komprimert luft styrt av en ventil 817, og en innsprøytingsåpning 837. Det nedre kammer inneholder et avtettet gassvolum som utgjør midlet for omdannelse av stempelets kinetiske energi i retning nedad til kinetisk energi i retning oppad. Vanngjenvinnings- og kjølesystemet er identisk det som er beskrevet foran i forbindelse med fig. 5 og innbefatter en fuktighetsseparator 847 tilkoblet en utløpsåpning for komprimert gass, en kjøler 845 forbundet med fuktighetsseparatoren via en returledning 853, og en innsprøytingspumpe 834 innkoblet mellom kjøleren 845 og innsprøytingsåpningen 837. Innløpsåpningen 821 for komprimert gass i det isotermiske kompresjonskammeret 809 er tilkoblet utløpet til en roterende kompressor 861 som leverer varm komprimert luft for drift av den isotermiske kompressor 801.

Kjølig komprimert luft fra den isotermiske kompressor trekkes fra utløpsåpningen 813 gjennom fuktighetsseparatoren 847 og rettes i hovedsaken tre veier. En del av den kjølige komprimerte luft benyttes for gassifisering og blir til å begynne med ført til en luf tseparer ingsenhet 869 hvor den komprimerte luft separeres i trykksatt nitrogen og oksygen. En del av den kjølige komprimerte luft går til et forbrenningskammer 857 hvor den brennes for tilveiebringelse av varm høytrykksgass for drift av en gassturbin 859. Gassturbinen er anordnet for drift av en hovedgenerator 863. Før den innføres i forbrenningskammeret 847, blir den kjølige komprimerte luft fra den isotermiske kompressor forvarmet i en gass-luft-varmer 855 under utnyttelse av utløpsgass fra gassturbinen. Generelt sett vil det være mer varme tilgjengelig i utløps-gassen fra gassturbinen enn den som trengs for forvarming av den kjølige komprimerte luft for forbrenning i forbrenningskammeret 857. Derfor kan en ytterligere del av den kjølige komprimerte luft fra den isotermiske kompressor forvarmes i gass-luft-varmeren 855 for gjenvinning av den overskuddsvarme, og den forvarmede komprimerte luft går til en luftturbin 865 hvor den ekspanderes for drift av en andre generator 867.

Gassifiseringsanlegget er likt det som er beskrevet foran i forbindelse med fig. 24 og innbefatter en luftsepareringsenhet 869 tilknyttet utløpet fra fuktighetsseparatoren 847. Trykksatt oksygen produsert i luftsepareringsenheten 869 går til en gassifiseringsinnretning 861 hvor pulverisert kull eller et annet brennstoff gassifiseres. Under gassifiseringsinnretningen er det en beholder 873 for oppsamling av slagg fra gassifiseringen. Både gassifiseringsinnretningen 871 og slagg-samlebeholderen 873 er omgitt av en kjølemantel 872. Gassifiseringsinnretningen har en utløpsåpning for gassifisert brennstoff som er tilordnet en gass-til-luft-varmeveksler 875. Trykksatt nitrogen fra luftsepareringsenheten 869 blir rettet både til kjølemantelen rundt gassifiseringsinnretningen 871 for kjøling av dens vegger og for gjenvinning av overskuddsvarme, og til gass-til-luft-varmeveksleren 875 for kjøling av råbrennstoffgassen fra gassifiseringsinnretningen. Varmt komprimert nitrogen fra kjølemantelen og fra varmeveksleren hvortil innløpet i luftturbinen 865 hvor det ekspanderer sammen med varm komprimert luft fra gass-luft-varmeren 855. Gass-luft-varmevekslerens 875 utløp for kjølig rågass er forbundet med forbrenningskammeret 857 via et brennstoff-rensesystem som innbefatter en askesyklon 877, en rågass-rengass-varmeveksler 879 og en svovel-fjerningsenhet 881. Rågass fra gass-luft-varmeveksleren 875 går fra askesyklonen 877 for fjerning av aske fra rågassene. Brennstoffgass går så til svovel-fjerningsenheten 881 via rågass-rengass-varmeveksleren 879 hvor brennstoffgassen kjøles av ren brennstoffgass som forlater svovel-fjernlngsen-heten. Denne rene brennstoffgass vil etter å ha gått gjennom rågass-rengass-varmeveksleren 879 gå direkte til forbrenningskammeret 857 hvor den forbrennes sammen med forvarmet komprimert luft fra gass-luft-varmeveksleren 855.

ISOGT-gassifiseringssyklusen kan foretrekkes for ICCAT-gassifiseringssyklusen dersom kostnadene er lavere. Luftturbinen 865 og den tilordnede generator 867 som anvendes i ISOGT-gassifiseringssyklusen vil produsere en stor andel av den totale energi, fordi gassifiseringsvarmen gjenvinnes i luftturbinen. Som den i ICCAT-integerte gassifiseringssyklus vil luftsepareringsenheten også kunne utelates i den ISOGT-integrerte gassifiseringssyklus.

Fremgangsmåte ved energilagring og gjenvinning under utnyttelse av den termisk drevne kompressor

Som beskrevet foran i forbindelse med de gassdrevne og væskedrevne isotermiske kompressorer kan det også være fordelaktig å muliggjøre energilagring i kraftanlegget under anvendelse av en termisk drevet kompressor. I perioder hvor kraftbehovet er lavt vil en større andel av den isotermisk komprimerte gass (luft eller ikke luft) kunne lagres i et større hulrom, såsom en nedlagt gruve eller en oljebrønn. Når kraftbehovet er stort kan kjølig komprimert gass frigjøres fra hulrommet og supplementere den gass som produseres av kompressoren. En alternativ energilagringsmetode er kjøling og frysing av vann i de perioder hvor kraftetterspørselen er lav og så benytte denne "kulde" for øking av kraftleveransen når behovet er større.

Fig. 26 viser en utførelse av et kombinert kraftfremstilling-og energilagringsanlegg innbefattende fasiliteter for lagring av energi, enten i form av komprimert gass eller i form av is. I denne utførelsen er den komprimerte gass luft og kompressoren er en kompressor med intern forbrenning.

Forbrenningskompressoren 750 produserer kjøling komprimert luft, og i det minste noe av denne føres til en gass-luft-varmeveksler 751 hvor den forvarmes med varm utløpsgass fra kompressoren før innsprøyting i forbrenningskammeret. Energi trekkes fra kompressoren ved å komprimere atmosfæreluft adiabatisk og ekspandere den komprimerte luft i en luftturbin 753, som driver kraftgeneratoren 755. Forbrenningskompressoren 750 innbefatter midler for kontroll av de relative gassmengder som komprimeres adiabatisk og isotermisk. Dersom forbrenningskompressoren har den form som er beskrevet foran i forbindelse med fig. 17 eller 18 kan mengden av luft som komprimeres adiabatisk styres helt enkelt ved å stille inn tidsstyringen til den adiabatiske luftutløpsventil. Dersom denne ventil lukkes tidlig så vil mindre luft gå til luftturbinen og en større andel av den tilgjengelige energi kan benyttes for isotermisk kompresjon. For å øke luft-strømmen til luftturbinen kan den adiabatiske utløpsventil innstilles tilsvarende. For å opprettholde samme stempelslag vil det være nødvendig å redusere mengden av gass i fjæringskammeret, og dette kan man oppnå relativt lett, eksempelvis ved å legge inn en ventil i fjæringskammeret som styrer gassfrigjøringen eller gasstilførselen fra henholdsvis til kammeret.

I perioder hvor etterspørselen er liten produseres det en større mengde isotermisk komprimert luft enn den som er nødvendig for drift av forbrenningskompressoren, og slik overskytende kald komprimert luft kan da føres til et større hulrom 757 for lagring der. Når etterspørselen er større benyttes mesteparten av energien tilgjengelig i forbrenningskompressoren 750 for komprimering av luft adiabatisk for drift av luftturbinen 753. Den isotermisk komprimerte luft for forbrenningen tilveiebringes både av forbrenningskompressoren og fra det store hulrom 757.

Kraft- og energi lagringsanlegget innbefatter også en is/vann-lagerbeholder 761 og et kjølesystem 763 som kjøler eller fryser det lagrede vann. Som beskrevet foran blir varme overført til sprøytevæsken under den isotermiske komprimering vanligvis trukket ut fra kompressoren ved hjelp av et kjølesystem 759. I perioder med liten etterspørsel vil kjølesystemet 763 fortrinnsvis kjøle vannet i den termiske lagringsbeholder 761 ned til temperaturer under vannets frysepunkt, slik at det dannes is. Når kraftetterspørselen er større kan kjølesystemet stenges for derved å maksimalisere netto kraftlevering. Kjølingen til væskedusjen skjer delvis ved hjelp av det eksterne kjølesystem 769 og delvis ved smeltingen av den lagrede is. Man vil vanligvis ha en maksimal etterspørsel på dagtid. Dersom omgivelsesestemper-aturene er høye så kan isen smeltes for tilveiebringelse av kaldt vann for den isotermiske kompresjon. Det eksterne anleggskjølesystem 759, som vil måtte avgi varme til en høy omgivelsestemperatur, kan benyttes eller ikke, med redusert kapasitet i denne periode. En fordel med dette system er at islagringen kan bygges opp om natten når kraftetterspørselen er lav og omgivelsestemperaturen er også lav. I så tilfelle kan kompressoren kjøres med full kapasitet, idet overskudds-kraften benyttes for frysing av vannet for tilveiebringelse av is. Dette gir en dobbelt fordel, fordi man ikke bare får lagret energi for senere frigjøring i samsvar med behovet, men også får bedret total termisk virkningsgrad for systemet som følge av redusjonen i temperaturen til den kalde dusjen når det foreligger et maksimalt kraftbehov.

De stiplede linjer i fig. 26 indikerer at den spesielle komponent i energilagrings- eller kjøleanlegget kan benyttes bare av og til. Lagringen under utnyttelse av komprimert luft og under utnyttelse av is/vann vil være uavhengig av hverandre. Anlegget kan således innbefatte begge lagrings-systemer eller et av dem.

Claims

1. Varmegjenvinningsanordning for gjenvinning av varme fra en varmekilde, innbefattende en varmegjenvinningsturbin (313) og en isotermisk gasskompressor (303,1) for fremstilling av kald, komprimert gass, hvilken kompressor innbefatter et kompresj onskammer (9) for gass som skal komprimeres, et kompresjonsstempel (12) og drivmidler for bevegelse av kompresjonsstempelet inn i kompresjonskammeret for komprimering av gassen, karakterisert ved varmevekslermidler (305) anordnet for oppvarming av den kalde komprimerte gass med varme fra den nevnte varmekilde (307) og midler anordnet for føring av den oppvarmede komprimerte gass fra de nevnte varmevekslermidler (305) og direkte til den nevnte turbin (313), hvilken turbin (313) er anordnet for ekspandering av den oppvarmede komprimerte gass uten forbrenning av gassen, slik at gasstemperaturen ved turbinens (313) utløp er lavere enn temperaturen til den oppvarmede komprimerte gass ved turbinens innløp, midler (43) for tilveiebringelse av en væskedusj i kompresjonskammeret (9) for å kjøle gassen ved kompresjon av den i kompresjonskammeret (9), og midler (47) for uttrekking av sprøytevæske fra den kalde komprimerte gass trukket direkte fra det nevnte kompresjonskammer (9).

2. Anordning ifølge krav 1, inkorporert i et gassturbinanlegg, karakterisert ved en ytterligere turbin (301) i form av en gassturbin, og midler for føring av varm lavtrykksgass fra gassturbinen (301) til varmevekslermidlene (305 ) for oppvarming av den kalde komprimerte gass fra den isotermiske gasskompressor (303,1).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at varmegjenvinningsturbinen er en luftturbin (313, 319).

4 . Anordning ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at midlene for uttrekking av sprøytevæske innbefatter en fuktighetsseparator (47).

5. Anordning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at den isotermiske gasskompressor (303,1) videre innbefatter et ekspansjonskammer og et ekspansjons-stempel som er indirekte mekanisk koblet med det nevnte kompresjonsstempel (12).

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved en veivaksel anordnet for sammenkobling av kompresjonsstempelet (12) og ekspansjonsstempelet.

7. Anordning ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at drivmidlene innbefatter midler for tilveiebringelse av en forbrennbar brennstoffblanding i ekspansjonskammeret, idet en forbrenning av denne blanding vil drive ekspansjonsstempelet ut av ekspansjonskammeret.

8. Anordning ifølge et av kravene 5-7, karakterisert ved midler for føring av komprimert gass fra kompresjonskammeret og inn i ekspansjonskammeret.

9. Anordning ifølge et av kravene 5-8, karakterisert ved en varmeveksler anordnet for oppvarming av komprimert gass fra kompresjonskammeret med gass fra ekspansjonskammeret.